книги / Технология строительства подземных сооружений. Специальные способы строительства

Рис. 4.14. Схема замораживающей ко­ лонки

туры хладоносителя, выходящего из колонки, осуществляют с помощью термометра 10, вставляемого в термогильзу.

К замораживающим трубам предъявляют повышенные тре­ бования, так как они могут повреждаться от возникающих в них высоких напряжений при понижении температуры; от вы­ сокого внешнего давления, возникающёго в породе вокруг труб вследствие расширения в ней воды в момент замерзания, а так­ же в результате пучения породы. В связи с этим для замора­ живающих труб используют только высокопрочные трубы, из­ готовленные из стали марок С и Д. Наибольшее распростра­ нение получили бесшовные цельнотянутые трубы диаметром 146, мм и толщиной стенки 7— II мм. Соединения труб муфто­ вые. Часто при замораживании грунтов на небольшие глубины применяют также бесшовные насосно-компрессорные трубы с внутренним диаметром 100,3 мм и толщиной стенки 7 мм. Для особо ответственных работ применяют специальные безмуфто­

вые трубы типа ТЗК (трубы замораживающих колонок), кото­ рые соединяются путем ввинчивания одной трубы в другую с помощью конической нарезки. Длина труб 9—13 м; наружный диаметр по резьбовому соединению 156 мм, по трубе 146 мм; внутренний диаметр по резьбовому соединению 122 мм, по тру­ бе 146 мм; толщина стенок 8—11 мм. Трубы изготовляют из углеродистой стали с термической обработкой, закалкой и от­ пуском.

Трубы рассчитаны на внутреннее давление 20 МПа.

В нижней части замораживающей трубы устраивают баш­ мак, который представляет собой литой или сварной стальной конус, снабженный резьбой для соединения с замораживающей трубой. В отдельных случаях башмак выполняют в виде плос­ кой пластины, привариваемой к замораживающей трубе. При замораживании пород на малые глубины башмак выполняют как одно целое с замораживающей трубой. Для этого на конце трубы вырезают четыре — шесть полос в форме треугольника высотой 15 см. Оставшиеся неотрезанные треугольники загиба­ ют так, чтобы острые концы соединились в одной точке, и сва­ ривают между собой.

Конструкция головки замораживающей скважины может быть сварной или же съемной. Сварные конструкции применя­ ют при замораживании горных пород на небольшие глубины и выполняют следующим рбразом. Из листовой стали толщиной 10—12 мм вырезают диск, диаметр которого несколько больше диаметра замораживающей трубы. В диске вырезают два от­ верстия для пропуска питающей и отводящей труб.- Стенки труб приваривают к диску, а диск— к верхней части замораживаю­ щей трубы. Недостатком такого типа головки является необ­ ходимость срезания ее при возникшей потребности извлечения питающей трубы в случае засорения последней.

При замораживании горных пород на большие глубины при­ меняют съемные конструкции головок.

В качестве питающих используют стальные и полиэтилено­ вые трубы. Стальные трубы применяют диаметром 25—50 мм с толщиной стенок 3—6 мм. Трубы между собой соединяют с помощью муфт. При замораживании пород на средине и боль­ шие глубины целесообразно применение полиэтиленовых труб, которые имеют-следующие преимущества перед стальными: ма­ лый коэффициент теплопроводности (0,3—0,36 Вт/(м-°С) по сравнению с 45—50 Вт/(м-°С) у стальных труб, благодаря че­ му хладоноситель, подаваемый на дно колонки, в меньшей сте­ пени нагревается, чем при использовании стальных труб (это особенно важно при низкотемпературном замораживании на большие глубины); незначительную плотность (0,92—0,96 г/ /см3); возможность транспортирования их в барабанах, что по­ зволяет значительно упростить и ускорить спуско-подъемные

операции при монтаже питающих труб; снижение гидравличе­ ских потерь движущегося хладоносителя благодаря гладкой-по­ верхности труб.

В отечественной практике полиэтиленовые трубы изготовля­ ют двух марок: из полиэтилена низкой (ПНП) и высокой (ПВП) плотности трех типов: легкие Л, средние С и тяжелые Т для внутренних давлений соответственно 0,25; 0,6 и 1 МПа. Параметры этих труб приведены в табл. 4.9.

Соединительные и отводящие трубы принимают такого .же диаметра, как и питающие трубы, и выполняют чаще всего из резиновых шлангов.

При монтаже все замораживающие трубы перед опускани­ ем в скважины должны подвергаться гидравлическому испы­ танию. Для этой цели вблизи участка замораживания целесо­ образно собрать колонну замораживающих труб с башмаком и длиной, равной глубине замораживающей скважины. Для ис­ пытания колонну труб заполняют водой и прессуют в течение 10 мин под давлением, зависящим от глубины скважины.

Если испытания дали хорошие результаты, т. е! все соеди­ нения и башмак оказались плотными и не пропустили воду, то колонну считают годной к спуску в скважину. После этого все трубы колонны маркируют и разбирают для монтажа в сква­ жине. Порядок монтажа следующий: в скважину опускают пер­ вое звено труб, имеющее на нижнем конце башмак; на верхнем конце трубы закрепляют хомут, который после опускания пер­ вого звена ложится на кондуктор; верхний обрез трубы должен быть выше хомута на 0,5 м. К первому звену присоединяют сле­ дующее звено и т. д. Способы соединения замораживающих труб могут быть разными: с помощью конической резьбы —

ввинчиванием одной трубы в другую (трубы ТЗК), удлиненны­ ми муфтами, навинч'иваемыми плотно на трубу на пеньке с су­ риком, с обваркой их электроили газовой сваркой, а также сваркой встык с ниппелем. Прочность соединения должна быть равна прочности самих труб.

Подвеску каждой трубы и спуск всей колонны в скважину осуществляют с помощью резьбовой пробки, подвешиваемой за пружину на крюк талевой системы. Каждый стык заморажи­ вающих труб проверяют на прочность и герметичность. Давле­ ние при опрессовке стыков зависит от глубины скважин: при глубине до 100 м оно составляет 3 МПа; 100—200 м — 4 МПа; 200—300 м — 5 МПа; 300—400 м — 6 МПа, более 400 м — 8 МПа. Стык признается герметичным, если давление опрессов­ ки не изменяется в течение 10 мин. Несмотря на предваритель­ ную опрессовку соединений, во время спуска колонны в сква­ жину могут произойти частичные ее нарушения. Поэтому после опускания всей колонны производят контрольное испытание на водопроницаемость соединений. С этой целью после сборки ко­ лонну заливают водой на полную ее глубину (в зимнее время 10%-ным раствором хлористого кальция). Уровень жидкости в колонне измеряет маркшейдер. Чтобы жидкость не испаря­ лась, колонну плотно закрывают деревянной пробкой и обма­ зывают глиной или цементом. Измерение колебаний уровня жидкости в колонне производят ежедневно в течение 5 сут. Ес­ ли уровень жидкости в колонне в течение этого периода сни­ зился более чем на 2 см на каждые 50 м глубины, то колонну труб перемонтируют после вторичной опрессовки.

После монтажа замораживающих труб обсаднь!е трубы из­ влекают, а пространство между колонной и стенками скважины обязательно заполняют песком, так как образующаяся прослой­ ка воздуха будет замедлять процесс замораживания пород.

4.2.6. Рассольная сеть

Р а с с о л ь н о й с е т ь ю называют систему коммуникаций трубопроводов, в которой циркулирует хладоноситель (рассол). Рассолопроводы соединяют замораживающую станцию с мес­ том, где ведут работы по замораживанию горных пород. Рас­ сольная сеть (рис. 14.15) обстоит из подводящего прямого рассолопровода 1, распределителя 2, коллектора 3, завораживаю­ щих колонок 4, обратного рассолопровода 5. Магистральные рассолопроводы укладывают в две нитки, по одной из которых хладоноситель из испарителя 6 насосом .8 нагнетается к рас­ пределительному трубопроводу 2, а по второй — нагретый хла­ доноситель отводится на замораживающую станцию для по­ вторного охлаждения. На прямом рассолопроводе устанавлива­ ют задвижку 7.

Для магистральных рассолопроводов применяют стальные трубы диаметром 100—200 мм. При необходимости увеличить площадь поперечного сечения рассолопровода устраивают вме­ сто двух четыре ветви диаметром не более 200 мм каждая. Трасса рассолопровода от замораживающейстанции до участ­ ка замораживания горных пород должна проходить по крат­ чайшему направлению. Соединения труб рассолопровода вы­ полняют при помощи фланцев или сварки, причем чаще осу­ ществляют последний способ. В рассолопроводах длиной свыше 100 м необходимо устраивать компенсаторы, так как вследст­ вие понижения температуры трубы будут укорачиваться, что вызовет нарушение соединений рассолопровода.

Для снижения теплопотерь рассолопроводы укладывают на брусья в траншеи глубиной 0,5—0,7 м, шириной от 1 м при двух трубопроводах и до 4 м при шести трубопроводах. Тран­ шеи крепят деревянными щитами, реже кирпичом и перекры­ вают деревянными щитами или железобетонными плитами. Трубопроводы изолируют рубероидом с засыпкой сухими опил­ ками или другим теплоизоляционным материалом. При опреде­ ленных условиях рассолопроводы укладывают и на поверхность земли. В этом случае их обязательно теплоизолируют. Трубо­ проводы обматывают войлоком или пенькой слоем толщиной 20—30 мм с засыпкой пространства между ними опилками, тор­ фом или другими малотеплопроводными материалами.

Для разводки хладоносителя в замораживающие колонки непосредственно у выработки или вблизи нее устраивают спе­ циальное помещение, называемое галереей или форшахтой. Форшахта может быть расположена на поверхности или на не­ большой глубине в зависимости от местных условий. Глубина заложения форшахты определяется удобством производства

работ, производимых в ней, условиями монтажа рассольной сети и дальнейшей ее эксплуатации. Галерея служит для раз­ мещения в ней распределительного и. коллекторного рассолопроводов, благодаря чему создается возможность постоянного контроля за работой замораживающих колонок, а также для укрепления направляющих труб (кондукторов) и для бурения замораживающих скважин. Кроме того, размещение рассоль­ ной системы в форшахте позволяет освободить место для про­ изводства, .строительных .работ на поверхности.

В плане ось галереи должна следовать за линией располо­ жения замораживающих колонок. Поперечные размеры гале­ реи определяют из условия размещения в них распределитель­ ного и коллекторного рассолопроводов и оставления между по­ следними и стенками галереи свободного прохода шириной 0,8 м для обслуживающего персонала. Ширину галереи для од­ ного ряда скважин (рис. 4.16) принимают равной 2,5—3 м, а высоту— 1,8—2 м. Одной галереей целесообразно обслуживать не более трех рядов скважин, в противном случае размеры ее чрезмерно увеличиваются. Ширину галереи при двух или трех рядах колонок принимают равной общему расстоянию между ними плюс 0,6—0,8 м. В зависимости от срока службы галереи закрепляют деревом, кирпичом, бетоном или железобетоном. Распределитель и коллектор собирают из отдельных отрезков труб с помощью сварки или на фланцах с применением рези­ новых прокладок. Соединение труб на фланцах является более надежным, так как при отрицательных температурах металл вследствие хрупкости в местах сварки часто разрушается. Рас­ пределитель и коллектор прикрепляют к деревянным стойкам или подвешивают к потолочным перекладинам форшахты на железных хомутах.

Питающие и отводящие трубы присоединяют одним концом к головке замораживающей колонки, а другим — к распределитёлю и коллектору. Для этого в последних предварительно вы­ резают отверстия и приваривают короткие патрубки — штуцера, диаметр которых соответствует диаметру питающих труб. Чис­ ло штуцеров должно быть больше числа запроектированных скважин на. 10—15% на случай присоединения к системе до­ полнительных скважин. Штуцера располагают равномерно по всей длине распределителя и коллектора на равных расстояни­ ях один от другого и снабжают пробковыми кранами. Питаю­ щие и отводящие трубы присоединяют к штуцерам и головкам замораживающих колонок с помощью муфт на льне с суриком. Если отводящими и питающими трубами служат резиновые шланги, то присоединяют их к штуцерам хомутами или прово­ лочными скрутками.

горных пород необходимо, чтобы в каждую колонку в процессе ведения работ поступало одинаковое количество хладоносителя. Расход хладоносителя в каждой колонке будет зависеть от схе­ мы ее подключения к магистральным рассолопроводам: парал­ лельная, последовательная, последовательно-параллельная, смешанная. Схема параллельного включения колонок показана

следовательно, гидравлические сопротивления также равны.' Расход хладоносителя в каждой колонке будет одинаковым. Такая схема включений называется еще тупиковой. Достоинст­ во схемы состоит в том, что в случае неисправности одной или нескольких колонок работа других колонок не прекращается. Однако при параллельном включении колонок расходуется большое число труб.

Такая схема включения колонок получила большое распро­ странение.

При последовательной схеме включения замораживающих колонок охлаждающий рассол, вышедший из одной колонки, поступает в соседнюю и проходит таким способом последова­ тельно через группу замораживающих колонок. Последователь­ ное йключение колонок имеет тот недостаток, что в случае не­ исправности одной колонки прекращается работа всех замора­ живающих колонок. Такой способ включения целесообразно применять при замораживании грунтов на участках небольшой протяженности и малых (10—20 м) глубинах колонок. В чис­ том виде способ включения колонок применяют редко. Чаще применяют последовательно-параллельную схему включения колонок в рассольную сеть (рис. 4.18). Сущность ее состоит в том, что две-три или более замораживающие колонки отно­ сительно небольшой глубины соединяют между собой последо­ вательно, а в магистральные трубопроводы группу этих коло­ нок включают параллельно.

Смешанную схему включения замораживающих колонок в рассольную сеть применяют при переменных глубинах замора­ живающих колонок — больших и малых. В таком случае число последовательно включаемых замораживающих колонок опре­ деляют исходя из условия, чтобы сумма гидравлических сопро­ тивлений (глубин) в группе их не превышала гидравлического сопротивления одной глубокой замораживающей колонки, включенной в рассольную сеть параллельно. В магистральные

вающей станции и рассольной сети и соответствующих испыта-

Температуру хладоносителя понижают постепенно во избе­ жание возникновения больших температурных напряжений в системе трубопроводов и возможных разрывов в сети вследст­ вие сжатия металла при низких температурах. В первые сутки хладоноситель в ра*ссольную сеть подают с температурой не ниже —5°С с последующим понижением до рабочей темпера­ туры. Ежесуточное понижение температуры должно составлять (3—5)°С. В первые 10—15 дней замораживания разность тем­ ператур между прямым (подаваемым к колонке) и обратным (выходящим из колонки) рассолами колеблется от (4—5)°С с последующим постепенным понижением до (2—3)°С к концу замораживания.

В ' зависимости от конечной (рабочей) температуры хладо­ носителя на практике различают обычный и низкотемператур­ ный режимы замораживания. При обычном режиме температу­ ра хладоносителя, подаваемого в колонку, составляет (—20ч- Ч—^30)°С, при низкотемпературном — (—30ч— 40)°С и ниже. Низкотемпературный режим замораживания рекомендуется применять при замораживании фильтрующих пород с опреде­ ленным соотношением скорости движения подземных вод и ес­ тественной температуры подземных вод; наличии в горных по­ родах естественных рассолов с температурой замерзания ни­ же —5°С, а также при термальных подземных водах и замо­ раживании горных пород на большой глубине. Выбор режима замораживания должен основываться на сравнении технико-- экономических показателей различных вариантов.

В практике замораживания стволов на большие глубиды за­ частую применяют оба режима замораживания. При замора­ живании горных пород в верхней части ствола применяют обычный режим замораживания, а в нижней, где имеет место более высокая начальная температура пород, — низкотемпера­ турный.

При обычном режиме замораживания замораживающая станция работает по одноступенчатому циклу сжатия хлад­ агента, при низкотемпературном—ело двух- и трехступенчато­ му циклу сжатия хладагента.

4.2.7. Методы контроля при замораживании горных пород

При замораживании горных пород необходимо осущест­ влять контроль трех видов: за работой замораживающей стан­ ций, за работой замораживающих колонок и за процессом фор­

ми контрольно-измерительных приборов (термометров, мано­ метров, рассоломеров, водомеров и др.) и в случае необходи­ мости вносят соответствующие коррективы в работу замора­ живающей станции. Кроме того, следят за тем, чтобы не про­ исходило утечек хладоносителя в стыковых соединениях коло­ нок с коллектором и распределителем, а также наблюдают за исправностью галереи (форшахты) и теплоизоляцией рассолопроводов.

К о н т р о л ь за р а б о т о й з а м о р а ж и в а ю щ и х ко ­ л о н о к осуществляют визуально и температурой прямого и обратного рассола замораживающих колонок. Наличие на сое­ динительных и отводящих шлангах и на головке свежего пу­ шистого инея свидетельствует о нормальной работе заморажи­ вающей колонки. Желтый, рыхлый, легко отделяющийся при постукивании иней свидетельствует о том, что температура в форшахте ниже температуры хладоносителя в колонках, т. е. колонка не работает.

Более совершенным является контроль по количеству холо­ да, переданного замораживающими колонками горным породам. Количество тепла, выносимое хладоиосителем из колонки в еди­ ницу времени,

Количество циркулирующего хладоносителя во всех замора­ живающих колонках в принципе должно быть одинаковым (ко­ лебания по одинаковым колонкам допустимы в пределах 5%). Количество рассола, циркулирующего в колонке,

GP = WV/N,

—40 °С. Максимальный расход жидкости 250 м3/ч. В состав рас­ ходомера «Сатурн» входит специальный датчик, действие кото­ рого основано на принципе увлечения закругленным потоком