книги / Технология строительства подземных сооружений. Специальные способы строительства

хладомосителя в колонках, толщины ледопородного огражде­ ния и других параметров.

Приближенно можно принимать, что при ламинарном ре­ жиме течения хладомосителя в колонках и толщине ледопород­ ного ограждения в пределах 3—4 м перепад между температу­

В предварительных расчетах, когда еще не известна толщи­ на ледопородного ограждения Е, величину tcp принимают рав­ ной

tçp= 0,4fCT.

4.1.6. Расчет толщины ледопородных ограждений

Одним из основных параметров, определяющих экономичес­ кую целесообразность применения способа замораживания, яв­

пород, или к разрушению ледопородного ограждения и прбрыву подземных вод. Как в первом, так и во втором случае это приводит к значительному увеличению стоимости и срока строи­ тельства подземного сооружения.

ная с инженерной точки зрения задача. Сложность заключает­ ся в том, что ледопородное ограждение не подчиняется закономёрностям упругого тела, а обладает ярко выраженными рео­ логическими свойствами, которые зависят от типа горной поро­ ды, температуры замораживания, времени обнажения стенок ограждения и т. д. Кроме того, по толщине ледопородное ограж­ дение имеет различные прочностные и упругие характеристики, закономерность изменения которых подчиняется закономерно­ стям изменения температурного поля в ледопородном ограж­ дении. В свою очередь, изменение температурного поля опреде­ ляется толщиной ледопородного ограждения. Поэтому опреде­ ление толщины ледопородного ограждения, учитывая инженер­ ный характер и большой разброс значений исходных парамет­ ров, осуществляют с помощью приближенных методов.

Толщина прямолинейного ледопородного ограждения. При строительстве подземных сооружений открытым способом с применением замораживания пород ледопородное огражде-

ние выполняет роль подпорной стены. Ориентировочно толщи­ на ледопородной подпорной стены (м)

но определить допустимую высоту обнажения подпорной стены h = E J (0,7 VJ).

толстостенный цилиндр правильной формы и бесконечно боль­ шой длины с одинаковыми по всему сечению физико-механиче­ скими свойствами, сжатый равномерно-распределенной внеш­ ней нагрузкой. По условию прочности максимальное танген­ циальное (круговое) напряжение на внутренней поверхности цилиндра не должно превышать допускаемого напряжения на сжатие замороженных пород:

E = RE Y 1аСж1/ ([CTC>J— 2Р)— 1J,

где ^в — радиус ствола в проходке, см; [о«к] — допустимое на­ пряжение замороженных пород на сжатие, определяемое как [осж] =о«/А3>чМПа: os — предел прочности замороженной породы

зультаты при замораживании пород на глубину, не превышаю­ щую 70 м. С увеличением глубины и ростом горного и гидро­ статического давления формула становится неприменимой, так как численное значение выражения ( о Сж ] — 2Р, входящее в формулу, может принимать нулевое или даже отрицательное значение, и формула в этом случае теряет физический смысл. Исходя из этого, на практике принято считать, что область применения формулы Ляме — Гадолина ограничена глубиной 40—50 м.

Более полно характер работы ледопородного ограждения учитывается в расчетной формуле Домке, в которой ледопо­ родное "ограждение рассматривается как упруго-пластический толстостенный цилиндр правильной формы и бесконечно боль­

верхности цилиндра не должны переходить в пластическое со­

длительной прочности aSg (при действии нагрузки свыше 10 ч)

Как показывают расчеты, формула рекомендуется для оп­ ределения толщины ледопородного ограждения при заморажи­ вании горных пород на глубину 100—150 м. При дальнейшем увеличении глубины, а следовательно, и давления пород фор­ мула дает завышенные размеры.

Как указывалось выше (см. рис. 4.3), замороженные поро­ ды могут работать без разрушения еще весьма длительное время в пределах области установившегося течения. Было бы нецелесообразным в расчетах размеров ледопородных огражде­

надежной работы ледопородных конструкций за пределом уп­ ругости. Поэтому в последние годы в связи с освоением место­ рождений полезных ископаемых на большой глубине были раз­ работаны методы расчета ледопородного ограждения по пре­ дельным состояниям, которые более полно отражают физичес­ кие процессы, происходящие в ледопородном ограждении при его работе под нагрузкой с учетом переменных прочностных и деформационных характеристик мерзлых пород и технологии производства горнопроходческих работ. Наиболее широкое распространение в практике проектирования ледопородных ограждений нашел метод расчета по предельным состояниям из условий прочности и по деформациям при усредненных зна­ чениях прочностных и деформационных характеристик заморо­ женных пород.

Метод расчета по прочности заключается в определении такой толщины ледопородного ограждения, при которой сколь угодно малое увеличение внешней радиальной нагрузки при­ водит к нарушению предельного равновесия ледопородного ог­ раждения. Расчет по предельному деформированному состоя­ нию с учетом ползучести замороженных пород заключается в определении такой толщины ледопородного ограждения, при которой максимально возможное смещение внутренней обна­ женной поверхности ограждения под действием радиальной внешней нагрузки ие превысит некоторой допускаемой величи­ ны по условиям технологии проходки ствола.

Метод расчета разработан применительно к двум техноло­ гическим (расчетным) схемам проходки ствола — большими

Рис.. 4.7. Расчетная схема толщины ледопородиого ограждения неограничен­ ной высоты (а):-

и малыми заходками. Первую схему применяют при проходке стволов, когда постоянную крепь возводят после выемки поро­ ды на высоту 50—70 м и более, или при проходке неглубоких стволов после окончания работ по выемке породы на полную глубину. В этом случае ледопородное ограждение работает как

характерна для проходки стволов по совмещенной схеме, когда вслед за выемкой породы с отставанием на 1—2 м от забоя ствола возводят тюбинговую крепь. В этом случае на работу кольца из ледопородного ограждения существенное влияние оказывают торцы незакрепленной части цилиндра. При этом

возможны два случая: если в ледопородном ограждении про­ морожено и ядро сечения, то имеет место двойное защемление верхнего и нижнего торцов ледопородного цилиндра (рис. 4.7, б) ; если ядро сечения ледопородного ограждения не промо­

по сечению ствола.

Расчет по предельному напряженному состоянию рекомен­ дуется выполнять по следующим формулам:

при полном защемлении только по верхнему торцу ледопо­ родного цилиндра в месте контакта обнаженных стенок ствола с постоянной крепью (случай проходки по незамороженным породам внутри контура ствола)

Et = ]/3 " W (crs);

при этом коэффициент запаса k%находится в пределах

УЗ Ph \ .

1 <*”<1 +1 ^ 1 п ( 1 4 °,Яв Г

при полном защемлении по двум торцам (проходку, осуще­ ствляют по породам, промороженным внутри контура ствола)

л/

дения Е, равную большему из них.

В вышеприведенных формулах, помимо ранее встречавших­

породы, МПа. Значения С для супеси в зависимости от сред­

участка ограждения из замороженных пород (заходки), м; k —

расчетное значение коэффициента k будет заключено в преде­ лах 0,5 1+т< А < 1 .

4.1.7. Расчет мощности замораживающей станции и времени ее работы

Для определения мощности замораживающей станции ис­ пользуют так называемый балансовый метод, исходя из кото­ рого теплопоглощающая способность колонок QK должна быть

равна или больше количества тепла, которое необходимо отве­ сти от породы 'при ее замораживании Qâ, и количества тепла, идущего на охлаждение пород, окружающих ледопородное ог­ раждение Qox, т. е.

Q.-.1+ Qox-

Количество холода, необходимое для замораживания,

пературы льдообразования до заданной температуры замора­ живания itcp,

Количество холода, необходимое для охлаждения окружаю­ щих ледопородное ограждение пород,

Однако, как показали впециальные исследования теплоотда­ чи замораживающих колонок, в широком диапазоне изменения влияющих на процесс параметров, проведенные в МГИ, указан­

до —20 °С. При начальной температуре породы 20—25°С и бо­ лее низкой температуре замораживания величина теплопритока составляет 40—45 кДж/(м2-ч). При этом рекомендуемые вели­ чины теплопритока к 1 м2 поверхности ледопородного ограж­ дения справедливы при температуре замерзания подземных вод ±0°С . При более низких температурах замерзания воды,

QK= pQf—ndNHqf.

Величина удельного теплового потока <7/ является функцией значительного числа параметров, таких как температура замо­ раживания, скорость и режим течения хладоносителя в колон­ ках, коэффициент теплоотдачи, расстояние между колонками, время замораживания, конструктивные особенности колонок и т.д.

Удельный тепловой поток может быть определен по форму­ ле, полученной для одиночной колонки,

При работе группы колонок удельный тепловой поток

где d, dK— соответственно внутренний и наружный диаметры замораживающей колонки, м; а — коэффициент теплоотдачи,

1

использована формула проф. Н. Г. Трупака, полученная для работы одиночной колонки,

т — (l+ W qd\ In d2/dK,

192 (/0 — /р)

где q — теплосодержание горной породы, кДж/м3; d2 — диаметр ледопородного ограждения, образованного вокруг одиночной колонки, м; ф — коэффициент, зависящий от диаметра ледопо­ родного цилиндра и теплосодержания породы.

В частности, при темцературе горной породы tn= 8 вС. и теп­ лосодержании <7=105000 кДж/№3 коэффициент ф имеет сле­

При значении q', которое отличается от q= 105000 кДж/м3, приведенные выше'значения коэффициента ф должны быть умножены на отношение l/qll/q'. Если начальная температура