Способ замораживания горных пород

Лекция 3

Строительство шахтных стволов специальными способами

Способ замораживания горных пород

Условия применения способа замораживания

Искусственное замораживание горных пород применяют в неустойчивых водоносных породах мощностью свыше 10 м или в тех же породах с естественным гидростатическим напором более 20 м (при меньших мощностях и напорах проходка ство­лов способом замораживания допускается при соответствующем экономическом обосновании);

в водоносных устойчивых и скальных породах с притоком воды более 20 м³/ч в тех случаях, когда другие специальные способы не гарантируют успешной проходки стволов.

Сущность способа и режимы замораживания пород

Искусственное замораживание горных пород основано на замерзании воды или рассолов, содержащихся в порах или тре­щинах, при отрицательных температурах.

Способ искусственного замораживания пород (рис. 1) со­стоит в следующем. Вокруг намеченного к проходке ствола бу­рят скважины на всю глубину пород, подлежащих заморажи­ванию, с заглублением в водоупорные породы на 3—5 м и более, и в них опускают замораживающие колонки, по которым непрерывно циркулирует хладоноситель, охлажденный на по­верхности в испарителе замораживающей станции.

Рис. 1. Принципиальная схема за­мораживания пород:

1 — холодильный компрессор; 2 —испари­тель; 3 — маслоотделитель; 4 — конденсатор; 5 —регулирующий вентиль; 6 —насос рас­сольный; 7 —рассолопровод нагнетательный; 8 —замораживающая колонка; 9 — распреде­лительный коллектор; 10 — рассольный бак

Тепло от горных пород переходит к хладоносителю за счет разности температур, а породы, замораживаясь вокруг колонок, образуют ледопородные цилиндры (ЛПЦ), которые затем смы­каются в кольцевое ледопородное ограждение (ЛПО), противо­стоящее горному давлению и гидростатическому напору воды.

Существуют обычный и низкотемпературный режимы замо­раживания пород.

При обычном режиме температуру хладоносителя поддер­живают на уровне минус 20—25 °С.

При наличии в геологическом разрезе рассолонасыщенных пород, минерализации воды свыше 3° Be, температуре воды выше20 °С, фильтрации подземных вод со скоростями более 0, 5 м/сут применяют низкотемпературный режим заморажива­ния с температурой хладоносителя минус 30—40°С и ниже.

Способ проходки шахтных стволов с предварительным замо­раживанием горных пород включает в себя:

бурение замораживающих и контрольных скважин; монтаж замораживающих колонок, замораживающей станции и рас­сольной сети, контрольно-измерительной аппаратуры на стан­ции и в контрольных скважинах; образование ледопородного ограждения (активное замораживание); поддержание ЛПО в проектных параметрах в период проходки (пассивное замора­живание); оттаивание замороженных пород; демонтаж замора­живающей станции и рассольной сети; извлечение обсадных и замораживающих труб (где это возможно) и погашение скважин.

Выбор схемы замораживания пород. Наиболее распространены следующие схемы замораживания:

на всю глубину одновременно;

ступенчатая;

местная (из забоя ствола);

зональная.

Схему замораживания на всю глубину одно­временно применяют в том случае, когда в геологическом разрезе отсутствуют достаточно мощные промежуточные водо­упорные пласты, а также при необходимости ускорения проходки ствола и наличии достаточной мощности холо­дильного оборудования, обеспеченности электро- и водоснаб­жением.

Ступенчатую схему (рис. 2) применяют при боль­шой глубине замораживания (Н₃ > 500 м), наличии промежу­точных водоупорных пластов достаточной мощности, при недо­статочном обеспечении объекта холодильным оборудованием, энерго- и водоснабжением.

Колонка имеет питающую и отводящую трубки. По этой схеме породы замораживают последовательными ступенями сверху вниз. Чаще всего применяют две ступени. Скважины бурят на всю глубину замораживания пород.

Местное замораживание применяют в случае, когда неустойчивые породы залегают на доста­точно большой глубине от поверхности или в случае обнаружения при обычной проходке неустойчивых обводненных пород. Бурение скважин производят из забоя ствола через предва­рительно уложенную бетонную подушку с заделанными в ней кондукторами с применением превенторов и других противовыбросных устройств. При мощности неустойчивых обводненных пород до 20 м и при малой толщине ЛПО (1—1, 5 м) скважины можно бурить без сооружения камеры под небольшим углом к вертикальной оси (веерообразно). При необходимости образования ЛПО большой толщины (более 2 м) скважины должны быть пробурены из специальной камеры.

Зональное заморажи­вание (рис.3). При нали­чии в геологическом разрезе пе­реслаивающихся неустойчивых обводненных пород и водоупор­ных пластов большой мощности (более 50 м) последние можно исключить из замораживания с помощью специальной конструк­ции колонок и циркуляцией в них хладоносителя. Применение этой схемы снижает расход электроэнергии.

Скважины бурят с поверхно­сти на всю глубину переслаивания неустойчивых пород. Буре­ние заканчивается в водоупорном пласте, подстилающем последний водоносный горизонт.

Циркуляция рассола может быть прямой и обратной. При прямой циркуляции рассол подается по питающей трубе и воз­вращается по межтрубному пространству снизу вверх, а при обратной циркуляции рассол подается в межтрубное простран­ство и возвращается по питающей трубе (в данном случае от­водящей).

Прямую циркуляцию следует применять в случаях, когда основную трудность для замораживания представляют нижние пласты пород, а обратную — когда для ускорения начала про­ходки ствола необходимо в первую очередь заморозить верхние неустойчивые обводненные породы, а замораживание нижних неустойчивых водоносных пород будет достигнуто за время проходки верхнего участка ствола, но с обязательным переклю­чением на прямую циркуляцию рассола.