Тема 1. Горнопроходческие работы. 1. Общие сведения

• Название: 1. Общие сведения
• Дата: 27.09.2019
• Размер: 0.92 Mb.
• Имя файла: Тема 1. Горнопроходческие работы.docx
• Тип: Документы; #87854
• страница: 6 из 7

15. Горнопроходческие работы при строительстве вертикальных выработок. Технология армирования стволов. Организация и производство работ

Армировка стволов предназначена для обеспечения направленного движения подъемных сосудов при заданных режимах работы подъемных установок. К армировке относятся также лестничные отделения для аварийного выхода людей из ствола и опорные конструкции для труб и кабелей различного назначения. На практике применяют два типа армировки: с жесткими и канатными проводниками.

Расположение расстрелов зависит от типа, числа и размеров подъемных сосудов. Расстрелы подразделяют на главные, вспомогательные и ложные. Главные расстрелы заделываются в крепь ствола обоими концами, вспомогательные - одним, другой их конец прикрепляют к главному расстрелу. Ложный расстрел устанавливают между парными проводниками для жесткости. Главный расстрел, по центру ствола или близко к нему, называется центральным.

Главные и вспомогательные расстрелы, находящиеся в одной плоскости, составляют ярус. Расстояние между ярусами определяется расчетом в зависимости от типа и скорости движения подъемного сосуда. Расстояние между ярусами называется шагом армировки. Шаг армировки принимают: для деревянных проводников от 2 до 4 м; рельсовых - 3,125 м; 4,168м; коробчатых от 3 до 6 м.

Расстрелы бывают металлические, железобетонные и деревянные. Металлические расстрелы выполняют из двутаврового профиля с повышенным сопротивлением боковому изгибу №20В,27В,30М,36С,36М, 40, сварные прямоугольного профиля.

Железобетонные расстрелы применяют в зарубежной практике при проходке глубоких стволов. Используют расстрелы прямоугольной формы и овальной формы.

Деревянные расстрелы изготавливают из брусьев 2020 и 2025 см, на вспомогательных стволах и шурфах.

Главные расстрелы для удобства заведения их в лунку делают составными из двух неравных частей. Длинная часть на 60-80 см короче диаметра ствола в свету. Стыки расстрелов скрепляют накладками и болтами. Болты после затяжки гаек расклепывают.

Жесткая армировка с продольными проводниками обладает недостатками: большая металлоемкость, значительная трудоемкость ее изготовления и монтажа, высокое аэродинамическое сопротивление.

Проводники предназначены для направления движения сосудов. В зависимости от расположения сосудов различают проводники лобовые и боковые, односторонние и двусторонние. Лобовые проводники располагают в торцах клети, боковые - на длинной стороне клети. Односторонние - два проводника на одной стороне подвижного сосуда. Проводники двух сосудов, прикрепленные к одному расстрелу, называют парными, проводники одного подъемного сосуда, прикрепленные к расстрелу, одинарными. Для крепления такого проводника к расстрелу устанавливают короткий проводник, который называется ложным.

Применяют два способа стыкования проводников: на расстреле и между расстрелами. Между проводниками оставляют зазор 5 мм на случай изменения их длины при температурных колебаниях, а также для удобства замены проводников. Парные проводники и одинарные с ложным проводником крепят к расстрелу скобами Бриара , одиночные без ложных проводников - скобами СОЛ. Коробчатые проводники крепят к расстрелам болтами Т-образной формы и с помощью приваренных коротышей.

Лестничное отделение обшивают досками или металлической сеткой. Расстояние между лестничными полками принимают кратным расстоянию между ярусами, но не более 8 м. В полках делают проемы (лазы) размерами 0,70,6 м. Лестницы бывают деревянными и металлическими. Ширина лестницы не менее 0,4 м, расстояние между ступеньками не более 0,4 м. Лестницу устанавливают под углом не более 80. Расстояние от основания лестницы до крепи ствола - не менее 0,4 м. Лестница должна выступать над полком на 1 м или на этой высоте устраивают опорную скобу.

Последовательная схема армирования предусматривает разновременное проведение работ по установке расстрелов и навески проводников. По этой схеме сначала в направлении сверху вниз на всю глубину ствола устанавливают расстрелы и лестничное отделение, а затем снизу вверх навешивают проводники.

При установке расстрелов работы ведут с двухэтажного полка. На нижнем этаже полка в крепи долбят лунки для расстрелов, а на верхнем устанавливают расстрелы и лестничное отделение. Одновременно монтируют ставы труб сжатого воздуха, водоотлива и сигнализацию.

После установки расстрелов на всю глубину ствола подвесной полок демонтируют, в ствол опускают подвесные люльки, с которых снизу вверх устанавливают проводники.

Достоинство этой схемы заключается в простой организации работ. Члены бригады специализируются на выполнении однотипных работ, что повышает производительность труда. Такая схема позволяет организовать ритмичную работу - установку одного или двух ярусов в смену.

Недостатком является разновременное выполнение работ по установке расстрелов и навеске проводников, в результате чего увеличивается общее время и стоимость армирования.

Совмещенная схема армирования предусматривает одновременное выполнение работ по установке расстрелов, лестничного отделения и навеске проводников. При этом работы могут выполняться как в направлении сверху вниз, так и снизу вверх.

Армирование по этой схеме в направлении сверху вниз осуществляют с подвесного двухэтажного полка. На нижнем этаже полка долбят лунки для установки расстрелов. На верхнем устанавливают расстрелы и лестничное отделение. Одновременно над полком с помощью подвесной люльки и, как исключение, с временных переносных полков навешивают проводники.

При армировании по совмещенной схеме снизу вверх установку расстрелов ведут с подвесного полка, а навеску проводников - с люлек, которые поднимаются вслед за полком. Расстрелы устанавливают с нижнего этажа полка, а лунки разделывают с верхнего этажа.

Достоинством схемы армирования является: сокращение времени на подготовку ствола к армированию и переоборудование перед навеской проводников; обеспечение удобства и безопасности производства работ; упрощение технического контроля в процессе армирования ствола; совмещение работ по установке расстрелов и навеске проводников.

Недостатком схемы является увеличение подвесного оборудования.

Анализируя различные схемы армирования ствола, можно сделать следующее заключение. Последовательную схему армирования ствола следует применять при неглубоких стволах. Совмещенную схему армирования ствола следует применять при глубоких стволах.

Выбор вариантов схемы армирования ствола обуславливается конкретными организационно-технологическими условиями работ и устанавливается расчетом затрат времени и средств.

Продолжительность и объем подготовительных работ зависят от технологической схемы армирования, глубины и размеров поперечного сечения ствола, расположения оборудования в нем и на поверхности, числа и расположения расстрелов и проводников и других факторов.

Продолжительность подготовительных работ - 10-30 дней. Для сокращения продолжительности подготовительных работ необходимо еще при проектировании проходческого оборудования в стволе учитывать последующие работы по армированию. С целью минимального объема работ по переоборудованию расположение проходческого оборудования в стволе и на поверхности увязывают с конструкцией этажей подвесных полков, нулевой рамы, разгрузочной и подшкивной площадок копра. Проходческое оборудование по возможности следует располагать между расстрелами, чтобы они могли быть использованы в процессе армирования.

Подготовительные работы разделяются на работы вне ствола и связанные с переоснащением ствола.

Подготовительные работы вне ствола состоят из заготовки элементов армировки, оборудования и инструмента. На заводе или в центральной механической мастерской изготавливают расстрелы, проводники, элементы лестничного отделения, обшивку, полки, крепежный материал, скобы для кабелей и т.п. Расстрелы и лестничные отделения маркируют по ярусам.

Заготовленные на полную глубину ствола элементы армировки завозят к стволу укладывают в штабеля по маркам. Изготавливают шаблоны для контроля расстояний между расстрелами в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Изготавливают и завозят к стволу маркшейдерские лебедки, люльки для навески проводников, машины для сверления лунок, отбойные молотки, штанги, ключи и т.п.

Своевременное выполнение подготовительных работ в полном объеме обеспечивает проведение армирования с высокой скоростью.

Непосредственно в стволе проводят следующие работы: контрольное профилирование ствола, т.е. маркшейдерскую съемку стен крепи в местах минимальных зазоров между наиболее выступающими частями подъемных сосудов и крепью; составляют продольный разрез ствола и его поперечных сечений на разных глубинах; разборку разгрузочной площадки в копре; перестановку шкивов на подшкивной площадке, если их расположение не обеспечивает свободного прохода бадей между расстрелами и балок основной проходческой рамы; монтаж шкивов для канатов подвесной люльки; демонтаж и выдачу вентиляционных труб, если к началу армирования проведена сбойка между стволами; демонтаж и выдачу из ствола проходческого оборудования; подъем в устье ствола подвесного полка и переоборудование его для армирования; установку в 1,5-2 м ниже нулевой рамы с подвесного полка контрольного яруса расстрелов и др.

Установка контрольного яруса расстрелов является одной из важных работ, так как правильности ее выполнения зависит качество работ по армированию. После установки и закрепления контрольных расстрелов на них укрепляют кронштейны с отверстиями, через которые пропускают тросы отвесов. На расстрелах контрольного яруса устраивают настил, в котором оставляют ограждаемые раструбом проемы для бадей, труб и канатов. На этом же ярусе или на нулевой отметке устанавливают лебедки для подвески отвесов.

Установка расстрелов заключается в разметке и долблении лунок в бетонной крепи, установке расстрелов и заделке концов расстрелов.

Разделку лунок осуществляют отбойными молотками, с оставлением ниш в процессе бетонирования ствола и др. На разделку лунок в зависимости от площади поперечного сечения и вида крепи приходится 15-25 % общих затрат труда по армированию.

Разделка лунок с помощью отбойных молотков требует больших трудовых и временных затрат. Не получил распространения и способ оставления лунок при возведении бетонной крепи, так как он связан с высокой точностью установки опалубки, сложностью отрыва ее от бетона и перемещения, невозможностью заглубления лунок в породу.

Для механизации тяжелого и трудоемкого процесса разделки лунок применяют станки типа СБЛ-1М и БАС-1.

При бурении образуется лунка размером 280570 мм. Сменная производительность станка при бурении в бетоне 12-14 лунок глубиной 500-550 мм. Применение станков для бурения лунок повышает производительность труда проходчиков в 3-4 раза.

Лестничное отделение устраивают сразу после установки и раскрепления всех расстрелов яруса. Обычно принимают следующий порядок устройства лестничного отделения: настилают полок, устанавливают лестницу и выполняют обшивку досками или монтаж рамы с металлической сеткой. Обшивку досками осуществляют с внутренней стороны лестницы. Металлическую раму с сеткой спускают в ствол и закрепляют болтами.

Навеску проводников удобнее производить снизу вверх. Сначала подвешивают первые от низа проводники. Расположение их тщательно проверяют с помощью маркшейдерских инструментов. Затем в ствол по одному спускают последующие проводники и устанавливают на ранее смонтированные. Стыковку проводников осуществляют с применением штырей, которые вставляются в отверстия, просверленные в яблоке торца рельса. Между проводниками должен быть зазор 4-5 мм. Для этого в торцы проводников помещают фанерную прокладку. Навеску проводников осуществляют с люлек конструкции ЦНИИПодземмаша. Люльки состоят из четырех отдельных секций - верхней, нижней и двух средних. Каждая секция состоит из четырех стоек углового профиля, верхней и нижней швеллерных рам и настила из рифленой стали. Рабочие площадки расположены на расстоянии, равном шагу расстрелов, и оборудованы лестницами. Лестничные проемы на площадках смещены относительно друг друга и перекрыты лядами. Нижняя часть секции имеет ограждение высотой 1,1 м. Разработаны шесть типоразмеров люлек (табл.12.1)
Таблица 12.1 - Характеристика люлек

Люлька	Л-5	Л-6	Л-7	Л-8	Л-9	Л-10
Размеры в плане, м	1,61,3	1,61,3	2,51,3	2,51,3	0,81,5	1,13,8
Высота, м	14,8	14,8	14,8	8,4	15,7	7,1
Масса, т	1,83	1,84	2,54	1,2	1,16	1,82
Число кранов	1	1	2	1	1	2
Расстояние между ярусами,мм	4168	4168	4168	2000	4168	2000

Люльку подвешивают на канате тихоходной лебедки при помощи клиновой втулки или коуша. Диаметр каната подбирают из расчета обеспечения запаса прочности, равного 7. Нижнюю секцию люльки оборудуют съемными башмаками, охватывающими проводники, что предотвращает поворот и раскачивание люльки.

Навеску проводников с помощью люлек осуществляют следующим образом. Проводник спускают в ствол таким образом, чтобы прицепное устройство подъема оказалось против верхней секции люльки. Затем проводник перецепляют на крюк поворотного крана лебедки за свободные концы серьги и подают к месту его навески. В отверстие ранее установленного проводника вставляют шпильку, кладут прокладку и устанавливают следующий проводник. Проводник крепят к расстрелам одновременно с трехэтажной люльки.

Для установки трубопроводов в стволе закрепляют балки (для установки опорных стульев и сальниковых компенсаторов), изготовляют хомуты, серьги, скобы и направляющие фонари для спуска звеньев труб. Трубы спускают в ствол звеньями из 6-10 штук.

Перед спуском в ствол звено труб собирают в специальном зажиме - хомуте, установленном на нулевой раме.

При подходе звена труб к ранее установленным трубам на 0,5-0,6 м со звена труб снимают концевой направляющий фонарь, трубы стыкуют с ранее установленными и соединяют фланцами. Затем трубы с помощью хомутов прикрепляют к расстрелам и отсоединяют прицепное устройство. После монтажа трубопроводов их испытывают на герметичность.

Прокладка кабелей, обычно, в стволе осуществляется около лестничного отделения. Кабели с помощью дубовых вкладышей крепят к скобам, заделанным в крепь ствола. К одной скобе крепят до четырех кабелей. Кабели спускают в ствол при помощи тихоходной проходческой лебедки. Диаметр каната определяется массой кабеля с запасом прочности, равным пяти. Тихоходную лебедку устанавливают у ствола на расстоянии 12-15 м, кабель спускают со скоростью не более 0,3 м/с. Кабель прикрепляют к канату через 1-1,5 джутовым или пеньковым канатом, а через 20-25 м - жимками.

После спуска кабель на всю глубину ствола кабель крепят к скобам снизу вверх. Закрепленный между двумя скобами кабель должен иметь незначительный прогиб.


16. Специальные способы строительства вертикальных выработок

Характеристики месторождений со сложными гидрогеологическими условиями. Проблемы, возникающие при проведении горных выработок в этих условиях.

Под сложными условиями следует понимать такие условия, в которых строительство горных выработок и обеспечение их нормального эксплуатационного состояния обычными способами по техническим, экономическим или санитарно-гигиеническим причинам оказывается менее целесообразным, чем с применением специальных способов, либо практически невозможным.

При проведении горных выработок в подобных условиях приходится бороться с притоками подземных вод, а также с явлениями, вызываемыми их присутствием в породах.

Значительный приток подземной воды в проходимую выработку создает определенные трудности при производстве работ. При этом трудности возрастают с увеличением притока.

Наличие подземных вод в песках приводит к значительному снижению их устойчивости, которое растет с увеличением скорости движения воды.

В глинистых породах действие воды проявляется в изменениях их структуры, вязкости, тексотропии и некоторых других физико-механических свойств. В таких породах появляются явления разбухания, размокания, отслаивания, текучести и др. Глина, насыщенная водой, теряет связи между отдельными частицами, приобретает большую подвижность и способна вытекать в выработку.

Наибольшие трудности при проведении горных выработок вызывает плывун. Это неустойчивые текучие тонкозернистые породы от мелкого песка до ила. Плывун способен проникать через мельчайшие не плотности в крепи и заполнять пройденные выработки.

Мелкий песок с частицами диаметром 0,2 - 0,01 мм и меньше при наличии примесей илистых и глинистых частиц диаметром 0,1 - 0,001 мм.

Некоторые водонепроницаемые породы (песчаные глины, суглинки, илы и др.), соприкасаясь с водой, в естественном залегании, подвергаются размоканию и становятся водоносными только в слоях, непосредственно контактирующих с водоносными пластами.

При проходке горных выработок в подобных породах с применением водоотлива породы интенсивно размываются водой и из водонепроницаемых становятся водоносными, а затем и плывучими.

Таким образом, при проведении горных выработок в рыхлых водоносных породах. наряду с мерами по уменьшению притока воды, приходится применять специальные меры, обеспечивающие удержание стенок выработок до возведения постоянной крепи, а также исключающие прорывы плывучих пород в пройденные выработки.

Виды подземных вод и их свойства.

Вода, заключенная в горных породах, может быть: гравитационная (подвешенная, капилярная, свободная), связанная (гигроскопическая, пленочная).

Подвешенная вода не связана с основным водоносным горизонтам и попадает в верхние слои породы в результате атмосферных осадков. Капиллярные воды образуются в результате подъема по капиллярам воды основного водоносного горизонта. Подъем капиллярной воды основного водоносного горизонта в песках до 3 м, в глинах - до 1,5 м. Диаметр капилляров 10^-5 см.

Максимальной гигроскопической влажностью породы называют то количество воды, которое удерживается породой в воздухе, насыщенном водяными парами.

Пленочная вода - это слой воды, удерживаемый на частицах породы силами молекулярного притяжения, возникающего между частицами породы и молекулами воды. Пленочная вода движется независимо от силы тяжести с одинаковой скоростью во всех направлениях от зон с более плотной пленкой в зоны с менее плотной пленкой.

Силы молекулярного притяжения пленки воды достигает 10⁵ Н/ см². Плотность пленочной воды равна 1,28 - 2,45 г/ см³.При замерзании пленочная вода не выделяет скрытой теплоты и не увеличивается в объеме. Замерзает она при температуре около - 80° С.

Специальные способы проходки, их классификация.

Специальные способы в зависимости от решаемых задач можно разделить на 3 группы.

1. Специальные способы, обеспечивающие удержание стенок выработки от обрушения и оплывания, но не исключающие приток воды в проходимую выработку. К этой группе относятся все виды забивных крепей, опускные крепи.

2. Специальные способы, обеспечивающие проходку выработок в осушенных породах, либо в породах с небольшим притоком воды. К ним относятся кессон, водопонижение, тампонаж.

3. Специальные способы, обеспечивающие устойчивость стенок сооружаемых выработок и ликвидацию поступления воды в выработку. К ним относятся замораживание горных пород, химическое закрепление, бурение стволов.


17. Строительство вертикальных выработок с применением ограждающих крепей

Забивная крепь является простейшим специальным способом проходки горных выработок и применяется в случаях пересечения рыхлых водоносных пород небольшой мощности, залегающих неглубоко от поверхности земли. Забивные крепи могут применяться при залегании непосредственно под водоносным пластом мягкой водонепроницаемой породы (водоупора) и отсутствии в водоносной породе включений валунов или крупной гальки. В зависимости от материала, применяемого для забивной крепи, различают деревянную и металлическую забивные крепи.

Деревянная прямая вертикальная забивная крепь. Конструкция крепи. Технология производства работ. Оценка способа.

Деревянная забивная крепь бывает прямая (вертикальная) и косая. Проходка стволов с применением прямой (вертикальной) деревянной забивной крепи осуществляется следующим образом. В сухих породах, покрывающих водоносный пласт, выработка проходится обычным способом. Не доходя 0,5-0,7 м до кровли водоносного пласта, забой ствола выравнивают и на нем укладывают внутреннюю и наружную направляющие рамы. В зависимости от формы поперечного сечения ствола и вида постоянной крепи эти направляющие рамы выполняются в виде металлических колец из швеллеров № 18- № 20 (при круглых стволах) или деревянных венцов (при прямоугольных стволах с деревянной крепью). В пройденной части ствола между постоянной крепью и наружными направляющими кольцами укладывают несколько брусьев толщиной 60-80 мм.

Направляющие кольца (внешние и внутренние) устанавливают по отвесам и уровню, обеспечивая вертикальность ствола и наличие зазора между ними, равного толщине шпунта. Наружный диаметр внутреннего направляющего кольца равен диаметру ствола в проходке.

Внутренний диаметр наружного направляющего кольца равен диаметру ствола в проходке плюс две толщины шпунта.

В зазор между наружным и внутренним направляющими кольцами забивают вертикально, заостренные внизу доски - шпунты. Забивка шпунтов ведется поочередно один к одному на глубину 0,7 - 1 м.

В качестве шпунта применяют сухие сосновые или дубовые доски толщиной 50 - 100 мм, шириной 150-200 мм. Длина шпунта определяется мощностью пересекаемого водоносного горизонта и принимается в пределах 2 - 6 м. Шпунтины в местах примыкания друг к другу выполняют в виде пазов и выступов различной конфигурации (елочка, шип и др.). Шпунт забивают кувалдами, пневмомолотами, пневмобетоноломами.

После забивки шпунта по всему периметру на 0,7 - 1 м из забоя ствола вынимают породу. Во избежание прорыва водоносных пород, а также выжимания концов шпунта в ствол, необходимо следить, чтобы нижние концы шпунта находились в породе не менее 0,2- 0,3 м. По мере проходки ствола через каждый 1- 1,2 м устанавливаются и тщательно расклиниваются направляющие кольца.

Верхняя часть ствола, пройденная по сухим породам, должна иметь диаметр в свету на 0,5 м больше диаметра ствола в проходке.

Забивка каждого нового яруса шпунтов (посада) уменьшает диаметр ствола в свету на 0,5 м.

Деревянная косая забивная крепь. Конструкция крепи. Технология производства работ. Оценка способа.

При применении косой забивной крепи сечение выработки остается постоянным и не зависит от числа ярусов шпунтов (посадов). Обычно косую забивную крепь применяют при проходке стволов прямоугольного сечения с деревянной крепью. Шпунты длиной 1,2 - 1,6 м толщиной 50 - 75 мм и шириной 150 -200 мм забивают под углом 70° - 75° . Забивку шпунта начинают в плотной породе, не доходя на один ярус посада до водоносного грунта. При забивке шпунта длиной 1,5 м под углом 70° - 75° концы шпунта в углах образуют просвет приблизительно равный 0,5 м. Чтобы избежать этого, с каждой стороны угла забивают специальные трапециевидные шпунты с широким основанием внизу, а затем забивают обычные прямоугольные шпунты.

Установку наружного (вспомогательного) и внутреннего (коренного) направляющих венцов проводят по уровню и отвесам.

Размеры внутреннего направляющего венца такие же, как и венца постоянной крепи ствола. Размеры наружного направляющего венца принимаются с учетом возможности забивки шпунта.

Технология выемки породы, а также забивки шпунта аналогична применяемой при вертикальной забивной крепи. Промежуточные венцы устанавливаются через 0,5 м. Во избежание выдавливания шпунтин концы их всегда должны находиться в породе не менее 0,2 м.

Деревянная забивная крепь обладает низкой устойчивостью. При ее применении часто имеют место выпуски породы, а, следовательно, образование пустот за крепью, оседание и перекос крепи. Работы по забивке шпунтин трудоемки. Скорость проходки низкая и составляет приблизительно 5 м/мес.

Деревянную забивную крепь рекомендуется применять при проходке вспомогательных вертикальных выработок в рыхлых водоносных породах небольшой мощности (до 6 м), неглубоком залегании (до 15 - 20 м), а также при проходке опережающих водосборных колодцев.

Металлическая забивная крепь. Виды металлических шпунтов. Их оценка. Технология забивки шпунтов. Определение размеров форшахты.

Металлическая забивная крепь имеет ряд преимуществ перед деревянной, что обусловило более широкое ее применение.

Металлически шпунты обладают высокой прочностью, что обеспечивает надежность ограждения и позволяет применять мощные средства забивки. Соединения в замках между шпунтинами более плотное, это позволяет избежать выноса мелких частиц породы. В настоящее время металлические шпунты выпускаются длиной до 22 м. Таким образом, одним рядом шпунтового ограждения можно пересекать водоносные породы мощностью до 18 м. Высокая прочность металлического шпунта, применение мощных средств забивки их, более низкое сопротивление пород при внедрении таких свай позволяет полностью перекрывать всю толщу водоносных пород до начала выемки породы.

Выбранный тип шпунта должен обеспечивать прочность ограждения и при этом быть наиболее экономичным для конкретных условий. Прочность шпунта характеризуется моментом сопротивления (W), а жесткость сваи - моментом инерции (I). Показателем экономичности шпунта является отношение момента сопротивления шпунта к его массе (G) - W/ G. Чем больше это отношение, тем лучше используется металл. Применяемые шпунты можно подразделить на следующие типы: плоские, трубчатые, корытчатые ячейковые и комбинированные. Каждый из этих типов в свою очередь подразделяется в зависимости от профиля поперечного сечения и конструкции замков.

Плоские шпунты имеют сравнительно малый момент сопротивления при большей массе. У них отношение W/ G находится в пределах 1 - 5.

Трубчатые шпунты просты в изготовлении. При их забивке легко использовать гидроразмыв. Отношение W/ G в трубчатых шпунтах небольшое и равно 1,5 - 2.

Шпунты корытчатой формы более сложны в изготовлении, но они имеют высокий момент сопротивления (до 900 см³ ). Отношение W/ G равно 3 - 14.

Забивку шпунтового ограждения можно производить отдельными небольшими заходками (1 м) после установки последовательно всех свай в контуре, либо последовательно забивать каждую сваю сразу на полную глубину.

Первый способ обеспечивает плотное ограждение на всей глубине погружения. Вместе с тем при этом способе погружения в замках возникают большие напряжения, сильно затрудняющие забивку шпунтов. В отдельных случаях имеют место разрывы замков. Для снижения трения в замках их заполняют битумом.

При втором способе шпунт забивается значительно легче. Однако при этом способе возможно отклонение каждой забиваемой сваи от проектного направления. Эти отклонения накапливаются, и обычной сваей замкнуть контур ограждения невозможно. Для того, чтобы контур замкнуть, приходится забивать специальную сваю, изготавливаемую на основании замеров положения свай, либо забивать в образовавшемся просвете внахлестку новый ряд свай.

Во избежание прорыва водоносных пород из-под нижних концов ограждения шпунт должен полностью пересекать водоносный пласт и внедряться в водоупор на 1,5 - 2 м. К выемки породы приступают после забивки всех свай. Породу вынимают участками приблизительно равными 1 м и устанавливают временную крепь.

Забивка металлического шпунта может производиться пневматическими и паровыми молотами, вибромолотами и вибропогружателями. Наиболее прогрессивным способом забивки является вибропогружение.

В горном строительстве нашли широкое применение вибропогружатели типа ВПП-2.

При определении диаметра ствола по осям шпунтин на участке, огражденным металлическим шпунтом, следует учитывать конструкцию замка шпунта, а при определении диаметра форшахты - габариты вибропогружателей
(17.1)
где D_шп - диаметр ствола по осям шпунта, м;

D_св - диаметр ствола в свету, м;

Е - толщина постоянной крепи, м;

b - толщина шпунта в замке, м;

0,01Н - величина возможного отклонения шпунтин от вертикали во внутрь ствола, принимается до 1% от глубины погружения шпунта, м.

Диаметр ствола в проходке
(17.2)
где с - размер выступающей наружу части вибропогружателя, м;

а - зазор между выступающей частью вибропогружателя и крепью форшахты, обеспечивающий удобство и безопасность работы (принимается равным 0,7 м).
18. Строительство вертикальных выработок с применением водопонижения

Суть этого способа заключается в том, что в районе расположения ствола при помощи различных дренажных устройств снижается уровень подземных вод. В результате этого сокращаются притоки воды в ствол, неустойчивые горные породы теряют подвижность и повышается устойчивость стенок ствола. Таким образом, создаются условия проходки, приближающейся к проходке в обычных условиях.

Область применения этого способа сравнительно ограничена. Он не применим в случаях, когда в разрезе пород имеется несколько водоносных горизонтов, представленных неустойчивыми породами с низким коэффициентом фильтрации (К_ф< 1 м/с), а также при неоднородности литологического состава и неодинаковой водопроницаемости водоносного горизонта (наличие водоупорных прослоев), в особенности, если мощность водоносных пород незначительная и число водоупорных прослоев большое.

Для рассмотренных целей могут применяться поверхностный, подземный и комбинированный способы осушения.

Поверхностный способ рекомендуется применять при проходке стволов в обводненных скальных и полускальных трещиноватых или карстовых породах, в валунных, песчано-галечниковых или песчаных отложениях, подошвы которых залегают ниже конечной отметки зумпфа ствола, а также для снижения напора подземных вод в водоносном горизонте, залегающем ниже зумпфа ствола.

При поверхностном способе осушения на участке ствола сооружаются водопонижающие или водопоглощающие скважины. Эти скважины располагаются по контуру вокруг ствола в вершинах треугольника, квадрата, многоугольника или по окружности.

В тех случаях, когда ствол полностью пересекает водоносный пласт, поверхностный способ не обеспечивает полного осушения пласта. Для осушения таких пластов применяют подземный способ осушения. Этот способ предусматривает применение легких иглофильтровых установок, установленных непосредственно в стволе, а также применение восстающих скважин и забивных фильтров, которые устанавливаются на пройденных горных выработках.

Иглофильтровые легкие установки применяются при необходимости осушения безнапорных водоносных пластов. Одна установка иглофильтров (ярус) позволяет понизить уровень воды на 3-3,5 м. После проходки осушенного участка устанавливают следующий ярус иглофильтров. Восстающие скважины и забивные фильтры очень эффективны и обеспечивают осушение как напорных, так и безнапорных водоносных пластов.

Комбинированный способ осушения предусматривает совместную работу водопонизительных скважин с иглофильтрами. Скважинами срабатываются напоры, а иглофильтрами снижается остаточный уровень подземных вод, а затем осушается участок, где проходится ствол.

Водопонижающие скважины применяются при поверхностном и комбинированном способах осушения. С поверхности бурятся скважины с конечным диаметром, позволяющим опустить в скважину насос. Против осушаемого водоносного горизонта устанавливается фильтр. Вода насосом подается по водоподъемным трубам. Бурение водопонижающих скважин можно производить удароно-канатным или вращательным способами. При бурении водопонижающих скважин отклонение оси от вертикали не должно превышать 2° .
19. Строительство вертикальных выработок с применением водопонижения

Водопоглощающие скважины служат для перепуска из вышележащих водоносных горизонтов в нижележащие породы. В этом случае отпадает необходимость оборудовать скважины насосами, подводить к ним электроэнергию. Применение водопоглощающих скважин особенно целесообразно при осушении маломощных пластов с невысоким коэффициентом фильтрации. В этих случаях дебит скважин очень низкий и практически оборудовать такие скважины насосами невозможно.

Водопонижающие скважины оборудуются фильтрами. Их назначение пропускать в водоприемную часть скважины (к насосу) чистую воду, задерживая твердые части породы. Это обеспечивает нормальную работу насоса и предохраняет от образования пустот и выноса большого количества породы на поверхность земли.

Фильтры, виды и области применения.

Различают следующие виды фильтров:

- дырчатые и щелевые,

- сетчатые и проволочные,

- гравийные и гравийно-засыпные.

Дырчатые и щелевые фильтры представляют собой трубы с круглыми или щелевидными отверстиями. Размер отверстий определяется породами, в которых фильтры устанавливаются. В породах полускальных неустойчивых, щебеночных, галечниковых с преобладанием частиц размером 10-100 мм. Диаметр отверстий 10-25 мм и размер щелей 10х 150 мм.

В гравийных отложениях и в крупнозернистых песках с преобладанием частиц 2-5 мм устанавливаются фильтры с диаметром 2-5 мм. В песках с размерами частиц 1-2 мм устанавливаются дырчатые и щелевые фильтры, оплетенные проволокой, или сеткой из нержавеющих материалов с размерами щели между проволокой 1,25-3 мм, сетки 1х1...2х2 мм.

В песках с преобладающей крупностью частиц 0,25-0,5 мм устанавливаются проволочные или сетчатые фильтры с отверстиями, равными диаметру частиц песка, а также гравийные фильтры.

В песках с преобладающей крупностью частиц 0,1-0,25 мм устанавливаются гравийные или гравийно-засыпные фильтры.

Для откачки воды из водопонижающих скважин применяют глубинные насосы. Погружные насосы выпускаются типов ЭЦВ, АПТ, АЭНП, ЭПН и др. Непогружные насосы выпускаются типа АТН. Минимальный внутренний диаметр скважин для насосов АТН 250-350 мм.
20. Строительство вертикальных выработок с применением водопонижения

Ударно-канатный способ применяется при бурении скважин в твердых трещиноватых с большой водопронецаемостью породах, где есть опасения большого поглощения промывочной жидкости. Достоинством этого способа бурения является:

- возможность бурить скважины большого диаметра;

- незначительные отклонения оси скважины от вертикали;

- сохранение фильтрационных свойств пород в при фильтровой зоне.

К недостаткам способа следует отнести:

- низкую скорость бурения;

- большой расход обсадных труб;

- большую разницу между начальными и конечным диаметром скважин.

Ударно-канатное бурение осуществляют станками УКС-22, УКС-30М и другими.

При вращательном способе бурения скважины крепят после окончания бурения на всю глубину или на отдельных интервалах. Это значительно сокращает расход обсадных труб. Скорости бурения при этом способе высокие. Глубина бурения свыше 600 м.

Существует два способа вращательного бурения - роторный и турбинный. При вращательном бурении искривление скважины больше, чем при ударно-канатном. Вращательное бурение осуществляется с применением промывочных жидкостей. Их назначение: вынос разбуренных пород, удержание стенки скважины от обрушения и охлаждение и очистку бурового инструмента. При турбинном бурении промывочная жидкость еще приводит во вращение вал турбобура.

Напорным водоносным пластом мы называем пласт, в котором отметка гидростатического уровня выше уровня кровли пласта.

Безнапорным пластом мы называем пласт, в котором отметка гидростатического уровня ниже уровня кровли пласта.

Совершенной скважиной мы называем скважину, пересекающую весь пласт (забой скважины находится ниже почвы водоносного пласта).

Несовершенной скважиной мы называем скважину, у которой находится забой выше почвы водоносного пласта (скважина не полностью пересекает водоносный пласт).

Расчеты одноконтурных взаимодействующих скважин производится методом подбора в следующей последовательности.

1. 
   Исходя из конкретных условий, назначают число скважин и места их расположения.
   
2. 
   Определяется радиус приведенного равновеликого круга:
   

а) при прямоугольной форме реального контура
, (20.1)
или , (20.2)
б) при многоугольной форме
, (20.3)
в) при сложных формах контура
, (20.4)
где a – длина контура, м;

b – ширина контура, м;

p – периметр контура, м;

n – число характерных точек в многоугольнике (углы или середины его сторон);

r₁, r₂ … r_n – расстояния от этих точек до центра тяжести многоугольника, м;

F – площадь сложного контура, м².

Принимается радиус скважин r_c (по производственным и конструктивным соображениям), задается понижение в скважинах (S) и определяется дебит каждой скважины.

1. 
   Определяется уровень подземных вод или высота пониженного напора в центре ствола.
   

Если не достигнуто требуемое снижение уровня воды в месте расположения ствола, то изменяют число водопонизительных скважин или увеличивают понижение уровня воды в скважине (S) и проводят повторный расчет до достижения требуемого понижения уровня воды в районе ствола.

Определение дебита взаимодействующей в контуре водопонижающей скважины и эффекта водопонижения в напорных водоносных пластах.

Для напорных условия скважины совершенные.

Дебит каждой совершенной скважины определяется по формуле Щелкачева В.Н.
, (20.5)
где Q₀’ – дебит каждой из взаимодействующих скважин, м³/сут.;

R – радиус депрессии, образующейся при работе скважин, м;

S – понижение уровня воды в скважине, м;

n – число скважин;

m – мощность напорного пласта, м;

r_c – радиус скважин, м;

r₀ – радиус приведенного круга, м.

Радиус депрессии (влияния) определяется по формулам Кусакина
, (20.6)
и Зихерта
, (20.7)
а затем принимается среднеарифметическая величина

; (20.8)
где S – принятое понижение уровня воды в скважине;

K – коэффициент фильтрации породы, м/сут.;

H – гидростатический напор воды на почву пласта, м.

Для напорных условия скважины несовершенные.

Дебит каждой взаимодействующей несовершенной скважины определяется по формуле Чарного-Абрамова
, (20.9)

, (20.10)

, (20.11)

, (20.12)
f зависит от отношения , (20.13)

где l – длина водоприемной части фильтрам;

m – мощность пласта, м.

Величина остаточного напора в интересующей нас точке, расположенной в зоне депрессионной воронка, определяется по формуле Ф.Форхгеймера:
, (20.14)
где H – высота уровня подземных вод до понижения (считая от подошвы пласта), м;

x₁, x₂, x₃ … x_n – расстояние от исследуемой точки до соответствующих скважин.

Определение дебита взаимодействующей в контуре водопонижающей скважины и эффекта водопонижения в безнапорных водоносных пластах.

Для безнапорных условий скважины совершенные.

Дебит каждой совершенной скважины определяется по формуле Щелкачева
, (20.15)
где H – гидростатический напор на почву осушаемого пласта, м.

Для безнапорных условий скважины несовершенные.

Дебит каждой вертикальной несовершенной скважины определяется по формуле Абрамова С.К.
, (20.16)
где

l – высота слоя воды в несовершенных дренах;

T=S–h;
(20.17)
Величина сниженного уровня подземных вод в интересующей нас точке определяется по формуле Ф.Форхгеймера:
, (20.18)

21. Строительство вертикальных выработок с применением искусственного замораживания горных пород

При охлаждении пород до температуры ниже точки замерзания, вода, находящаяся в порах породы, превращается в лед. Ледопородный массив водонепроницаем и обладает сравнительно высокой прочностью.

Эти обстоятельства создают предпосылки для использования замораживания при проходке горных выработок в неустойчивых и трещиноватых обводненных горных породах.

Заморозив вокруг проходимого ствола обводненные горные породы (создав замкнутое кольцо), можно обеспечить устойчивость стенок ствола и ограждение его от притока воды из окружающих не замороженных обводненных пород.

Использование холода при проходке горных выработок в обводненных породах известно давно. Старатели при пересечении шурфами обводненных слоев породы оставляли вскрытые обводненные породы обнаженными до зимних морозов. По мере промерзания этих пород верхний слой льда скалывали. После полного промерзания всей толщи обводненных пород возводилась постоянная крепь, и проходка шурфа продолжалась. Позже стали в шурф нагнетать холодный атмосферный воздух.

Указанные способы замораживания можно было применять только зимой при относительно низких температурах воздуха. Кроме того, существенным недостатком указанных способов было сравнительно продолжительный период замораживания.

После освоения искусственного производства холода (создание замораживающих установок), способ замораживания пород начал быстро развиваться. Изменилась и технология замораживания пород. В современном виде замораживание пород осуществляется путем нагнетания жидкости с низкой температурой в замораживающие колонки, опущенные в специально пробуренные скважины. Скважины располагаются таким образом, чтобы после образования вокруг каждой из них ледопородного цилиндра, последние сомкнулись и образовали вокруг проходимой выработки замкнутое ледопородное ограждение.

Прочность замороженных пород зависит от состава пород, степени водонасыщения и температуры замораживания.

Замороженные глинистые породы при прочих равных условиях менее прочны, чем песчаные. Прочность замороженных песков возрастает с увеличением крупности зерен песка. Замерзшая вода (чистый лед) менее прочна, чем замерзшая порода. Замороженные породы имеют максимальную прочность при полном водонасыщении. С понижением температуры замораживания прочность замороженных пород растет.

Предел прочности на одноосное сжатие замороженных пород можно определить по формулам, предложенным МГИ.

Для песков мелкозернистых и крупнозернистых
, (21.1)
Для глин и пылеватых песков
, (21.2)
где С₁ и С₂ - эмпирические коэффициенты;

t_ср - средняя температура ледопородного массива, ° С.

Исследованиями установлено, что замороженные грунты снижают свою прочность под действием постоянной длительной нагрузки. Это явление называют ползучестью. В связи с этим различают два вида прочности - мгновенную s _мг и длительную s _дл.

Под мгновенной прочностью понимают предел прочности замороженных пород при приложенной нагрузке сразу же после замораживания.

Длительная прочность - это предел прочности приложения нагрузки в течение 1000 ч.

Некоторые авторы вводят понятие “коэффициент расслабления” замороженных пород, вычисляемый по формуле
, (21.3)
У замороженных глин в месячном возрасте К_р=1,5, в трехмесячном возрасте К_р=3.

Обычно это свойство замороженных пород учитывают коэффициентом запаса прочности.

Применяемые для замораживания горных пород замораживающие станции представляют собой комплекс аппаратов с замкнутым циклом, в котором хладоагенты (аммиак, углекислота и др.), будучи сжаты в компрессорах, а затем охлаждены, переходят из газообразного состояния в жидкое, сохраняя повышенное давление. Последующее уменьшение давления жидкого хладоагента сопровождается резким понижением его температуры.

Переход хладоагента из жидкого состояния в газообразное происходит при значительном поглощении тепла. Сжатые в компрессоре до 1,0-1,2 МПа пары аммиака с температурой порядка +130 ° С, проходя через маслоотделитель, по нагнетательному трубопроводу поступает в конденсатор, непрерывно охлаждаемый водой. Вследствие охлаждения аммиак постепенно переходит в жидкое состояние и аккумулируется в рессивере. Жидкий аммиак с давлением 1,0-1,2 МПа поступает в регулирующую станцию, где происходит дросселирование аммиака, от давления конденсации до давления кипения, сопровождаемое резким понижением температуры. Для получения температуры кипения - 25 ° С давление жидкого аммиака должно быть снижено примерно с 1,0-1,2 МПа до 0,15 МПа. Переход аммиака из жидкого состояния в газообразное происходит в испарителе и сопровождается поглощением примерно 1050-1134 кДж тепла на 1 кг аммиака.

В настоящее время ведутся опытные работы по применению фреона для замораживания горных пород.
22. 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, V- образные).

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
, (22.2)
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
, (22.3)
При этой температуре аммиак будет конденсироваться при строго определенном давлении Р_кон.

Зная температуру рассола непосредственно в замораживающей колонке t_з, определяем температуру кипения аммиака в испарителе t_исп
, (22.4)
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
, (22.8)
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
, (22.9)
где - давление в промежуточном сосуде, определяется по формуле
, (22.10)
Т_пр - абсолютная температура в промежуточном сосуде, К

По определенному расчетному суммарному часовому объему выбираются компрессоры. Затем проверяются рабочие холодопроизводительности
, (22.11)


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 = 16000-25000 кДж/м²ч - для элементных конденсаторов;

- R_к = 14000-24000 кДж/м²ч - для кожухотрубных конденсаторов;

- R_к = 14000-16000 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 10000 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
, (22.13)
где - холодопроизводительность компрессора в рабочих условиях, кДж/ч;

- удельная нагрузка на 1 м² поверхности охлаждения змеевиков испарителя

Для вертикально-трубных испарителей =30000 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
, (22.5)
Внутренний радиус (м) замораживания определяется по формуле
, (22.6)
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.
23. 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
, (23.1)
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;

t -время 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.