книги / Технология строительства подземных сооружений. Специальные способы строительства

свободно плавающего шара. Скорость вращения шара зависит от количества протекающей жидкости в единицу времени. Сиг­ нал с датчика фиксируется электронным преобразователем,' ко­ торый и показывает расход жидкости.

Индукционный расходомер ИР-11 предназначен для непре­ рывного автоматического измерения расхода электропроводных жидкостей в закрытых трубопроводах диаметром от 10 до 300 мм при скорости давления жидкости от 1,25 до 10 м/с. Мак­ симальный расход жидкости 2500 м3/ч. Принцип действия ин­ дукционного расходомера основан на явлении электромагнит­ ной индукции.

Несовпадениё показаний рассоломера с установленной нор­ мой расхода хладоносителя позволяет контролировать работу колонки.

Температуру рассола измеряют с помощью термометров, установленных на головке колонки, или же с помощью специ­ альных термодатчиков (термопар). Температура циркулирую­ щего хладоносителя должна быть одинаковой во всех колонках с допустимыми колебаниями в пределах — (1—2)°С.

Общее количество холода, выносимое всеми колонками, можно определить двумя способами:

первый

Q = kC^Nr,

второй

Q ^ k W ^ C ^ - T J r ,

где £ = 1,05-ь 1,1 — коэффициент потерь холода в рассольной се­ ти; 7*1, Гг — температура прямого и обратного рассола в маги­ стральных трубопроводах, °С; т — время замораживания, ч.

Значение сравнивают с количеством холода, выработанного замораживающей станцией за этот же период времени.

При замораживании горных пород на большие глубины осу­ ществляют контроль и за температурным режимом колонки .по всей ее глубине. Для этого в межтрубное пространство колонки помещают термодатчики, которые располагают по всей глубине.

К о н т р о л ь з а п р о ц е с с о м ф о р м и р о в а н и я л ед о -

звукового способа и применения средств вычислительной тех­ ники.

Термонаблюдательные скважины позволяют осуществляв периодические измерения температур в замораживающих гор­ ных породах в течение всего процесса замораживания. По из­ меренным температурам строят графики развития температур­ ных полей в замораживающих породах, анализ которых дает возможность установить границы ледопородного ограждения

на данный момент .замораживания. Термонаблюдательные сква- ж,ины бурят тем же диаметром, что и замораживающие, обору­ дуют замораживающими колонками без питающих и отводя­ щих труб и заполняют незамерзающей жидкостью', обычно хладоносителем.

В трубы опускают термодатчики (рис. 4.19), которые рас­ полагают на уровне кровли и почвы каждого водоносного го­ ризонта, а также в пределах самого горизонта. Для устранения влияния температуры атмосферного воздуха на измерение тем­ ператур в скважинах устья их теплоизолируют. В качестве тер­ модатчиков применяют медь — константановые термопары или же терморезисторы. При замораживании пород на малые глу­ бины температуры можно измерять с помощью термометров, опущенных в скважины.

Число термонаблюдательных скважин принимают не менее 10% общего количества основных ’замораживающих скважин. Термонаблюдательные скважины располагают группами по од­ ной линии, причем одну из них между замораживающими ко-

лонками, вторую на проектируемой внешней границе заморо­ женных пород, остальные за пределами ледопородного ограж­ дения.

Температуры в термонаблюдательных скважинах измеряют 2 раза в сутки в первые 10—15 дней замораживания. В даль­ нейшем показания термодатчиков снимают в одни и те же часы один раз в сутки.

Гидронаблюдательные скважины используют для контроля за процессом смыкания отдельных ледопородных тел в замкну­ тое ограждение. Контроль основывается на том, что до смыка­ ния ледопородного ограждения в замкнутое кольцо вода в пре­ делах водоносного горизонта имеет гидравлическую связь с во­ дой за пределами контура ледопородиого ограждения. После смыкания отдельных ледопородиых тел, образовавшихся во­ круг каждой из замораживающих колонок, в замкнутое ограж­ дение гидравлическая связь теряется. Учитывая, что в процессе промерзания водоносных пород объем льда увеличивается при­ мерно на 9%, вода, находящаяся в породах замкнутого прост­ ранства, начинает вытесняться. В результате этого уровень во­ ды в гидронаблюдательной скважине начинает подниматься, свидетельствуя о сплошности ледопородного ограждения в кон­ тролируемом водоносном горизонте.

Гидронаблюдательные скважины располагают внутри замо­ раживающего контура из расчета одна скважина на каждый водоносный горизонт. При наличии нескольких водоносных го­ ризонтов их объединяют в группы и для каждой группы бурят одну гидронаблюдательную скважину. Располагают гидрона­ блюдательные скважины на расстоянии не менее 1,5 м от про­ ектного контура ледопородиого ограждения с таким расчетом, чтобы избежать замерзания воды в скважине.

Гидронаблюдательные скважины бурят после окончания бу­ рения замораживающих скважин тем же способом, что и сква­ жины для замораживания, и оборудуют так же, как скважины

ния по всему периметру. Ультразвуковой способ контроля осно­ ван на законах распространения упругих колебаний в пористых породах. Скорость распространения ультразвука в обводненных горных породах в основном зависит от вида, пористости и об­ водненности горных пород. При замораживании жидкость, за­ полняющая поры, превращается в лед, порода становится бо­ лее плотной и скорость ультразвука в ней значительно возра­ стает. Изменение скорости ультразвука в зависимости от агре­ гатного состояния горных пород позволяет оценить процесс

формирования ледопородного ограждения во времени и прост­ ранстве. Для ультразвукового контроля за процессом замора­ живания горных пород разработаны специальные приборы УКЛЦ-1, МАП-1.

Принцип работы приборов состоит в том, что снаряд-излу­ чатель и снаряд-приемник синхронно опускают в скважины и регистрируют время пробега ультразвуковых импульсов между ними с помощью измерительной аппаратуры на пульте опера­ тора. По результатам измерений строят диаграммы «глубина — время» для каждого контролируемого горизонта. Периодиче­ ское измерение времени пробега ультразвука на одних и тех же Горизонтах позволяет выявить изменение скорости ультра­ звука, а следовательно, и степень промороженности пород. Ультразвуковой способ контроля позволяет оценивать и напря­ женное состояние ледопородного ограждения. С этой целью, помимо скорости распространения продольной ультразвуковой волны, необходимо измерять изменения таких акустических па­ раметров, как скорость затухания волны, скорость распростра­ нения поперечных волн и др.

При строительстве ответственных инженерных сооружений процесс замораживания горных пород контролируют с приме­ нением средств вычислительной техники (гидроинтеграторов, электроинтеграторов, ЭЦВМ). Для этого вначале находят за­ кономерности изменения температур в термонаблюдательных скважинах как по глубине, так и во времени, на основании че­ го определяют теплофизические свойства замораживаемых по­ род (коэффициенты теплопроводности, температуропроводности

идр.) применительно к каждому водоносному горизонту. В по­ следующем, зная местоположение замораживающих колонок на каждом водоносном горизонте, теплофизические свойства пород

иреальный режим замораживания, моделируют процесс обра­ зования ледопородного ограждения на вычислительных маши­ нах. Это позволяет для любого промежутка времени и по всей глубине замораживания дать прогноз развития ледопородного ограждения, а в случае необходимости внести соответствующие коррективы в режим работы замораживающей станции.

4.3. СТРОИТЕЛЬСТВО ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ

С ПРИМЕНЕНИЕМ СПОСОБА ЗАМОРАЖИВАНИЯ ПОРОД

4.3.1. Схемы замораживания

При строительстве стволов способом замораживания в за- ■висимости от глубины и начальной температуры пород приме­ няют следующие схемы замораживания: на всю глубину (одно­ ступенчатую), многоступенчатую, зональную, локальную.

более распространена прямая циркуляция хладоносителя, при которой хладоноситель по питающей трубе подается до дна за­ мораживающей колонки и возвращается по межтрубному про­ странству к отводящему патрубку. Прямая циркуляция хладо­ носителя рекомендуется в том случае, когда на значительно глубоких горизонтах встречаются более сложные условия. Обычно пласты пород, залегающие на небольшой глубине, име­ ют более высокие горное давление, естественную температуру,

аиногда и более высокие скорости движения подземных вод. При обратной циркуляции хладоносителя он подается в

межтрубное пространство, опускается до дна колонки и по пи­ тающей трубе возвращается к ее устью. Обратная циркуляция хладоносителя рекомендуется при необходимости в первую оче­ редь и в короткие сроки заморозить верхние пласты обводнен­ ных пород и начать проходку ствола с условием, что нижние пласты пород будут заморожены за время проходки верхнего участка ствола. Одноступенчатую схему-замораживания прийеняют при мощности обводненных пород не более 120 м, за­ легающих на небольшой глубине от поверхности при начальной температуре породы не выше 10 °С.

При многоступенчатой схеме замораживание пород осуще­ ствляют последовательными во времени нисходящими ступеня­ ми. Для этого с поверхности земли на всю глубину неустойчи­ вых пород бурят замораживающие скважины, которые обору­ дуют замораживающими колонками. Колонки оборудуют пита­ ющей и отводящей трубами (рис. 4.20,6), которые опускают до намеченных границ 1, 2 ступеней замораживания. Заморажи­ вание в каждой ступени достигается благодаря интенсивной циркуляции хладоносителя в пределах каждой ступени. При этом в вышерасположенных ступенях также происходит тепло­ обмен, но в значительно меньшей степени, из-за естественной конвекции. Границы ступеней приурочивают к водоупорным пластам.

Многоступенчатую схему замораживания применяют в том случае, когда мощность обводненных пород, подлежащих замо­ раживанию, превышает 100 м; обводненные пласты пород раз­ делены водоупорными породами; обводненные пласты пород, залегающие в верхней толще, содержат пресные, а в нижней толще — засоленные воды; начальная температура горных по­ род неравномерна по глубине и достигает 25°С.

При многоступенчатой схеме замораживания обычно при­ меняют прямую циркуляцию хладоносителя в колонках. В от­ дельных случаях в верхней ступени замораживания применяют обратную циркуляцию, а в последующих ступенях — прямую. При замораживании пород первой ступени хладоноситель пода­ ется по питающей трубе до низа первой ступени и отводится по межтрубному пространству- к отводящему патрубку. При замо­

раживании пород второй ступени питающая труба становится отводящей, а хладоноситель до низа второй ступени подается по новой питающей трубе.

При зональной схеме (рис. 4.20, б) замораживающие сква­ жины бурят с поверхности, а процесс замораживания осущест­ вляют только в пределах водоносных пород 3. Для этого вокруг ствола 1 в замораживающих колонках 2 на границе водоносных пород устанавливают специальные диафрагмы 4, которые огра­ ничивают циркуляцию хладоносителя в колонке. Такая конст­ рукция колонок в значительной степени снижает тепловые поте­ ри в породах, не подлежащих замораживанию. Зональную схе­ му применяют в случае, когда водоносные горные породы зале­ гают глубоко от поверхности (более 150 м) и имеют мощность, не превышающую 100 м, а вышележащие породы не подлежат замораживанию.

При локальной схеме (рис. 4.20, г) замораживающие сква­ жины 1 бурят из забоя выработки 4 через бетонную перемыч­ ку 3. Подачу хладоносителя к колонкам осуществляют по тру­ бам от замораживающей станции, расположенной на поверхно­ сти. Локальную схему замораживания применяют при глубо­ ком, залегании водоносных горных пород 2 и сравнительно ма­ лой их мощности или же в случае неожиданного обнаружения пласта водоносных пород в процессе проходки выработки.

Выбор той или иной схемы замораживания должен базиро­ ваться на предварительном сравнении технико-экономических показателей каждой схемы.

4.3.2. Схемы расположения замораживающих скважин

Схема расположения замораживающих скважин при про­ ходке стволов зависит от размеров ствола в проходке i?„p и расчетной толщины ледопородного ограждения Е (рис. 4.21).

Замораживающие скважины располагают вокруг верти­ кального ствола по окружности, при этом стремятся к возмож­ ному уменьшению диаметра окружности, на которой распола­ гают замораживающие скважины, в целях сокращения их чис­ ла и уменьшения расходов на буровые и монтажные работы.

Однако чрезмерное приближение -замораживающих скважин к контуру ствола может привести в процессе проходки к выемке части замороженной породы и ослаблению ледопородного ограждения.

При замораживании горных пород ледопородное огражде­ ние после его смыкания формируется неравномерно по отноше­ нию к окружности расположения колонок. В силу ограничен­ ного теплопритока со стороны внутреннего контура ледопород­ ное ограждение нарастает быстрее в направлении к центру! ствола. Многолетняя практика показывает, что толщина ледо­ породного ограждения Е относительно диаметра расположения скважин распределяется следующим образом: 0,6 Е — внутрь ствола и 0,4 Е — во внешнюю сторону.

В связи с этим при проектировании процесса замораживания диаметр расположения скважин

А ,= 2/?Пр "Ь1 »2Е+ 2а,

где # пр — диаметр ствола в проходке, м; а — допустимое откло­ нение замораживающих скважин от проектного направления, м.

Число замораживающих скважин, располагаемых по окруж­ ности,

N = n D jl,

где /=1,1ч-1,8 м — расстояние между устьями замораживаю­ щих скважин. Наиболее часто расстояния между устьями сква­ жин принимают равными 1,3 м.

Расстояние между скважинами на горизонте, для которого рассчитывают толщину ледопородного ограждения, определяют для случая отклонений двух соседних в ряду скважин от вер­ тикали в противоположные стороны друг от друга. Допускае­ мое при этом наибольшее расстояние из условий смыкания ле­ допородного ограждения должно быть не более 3 м.

Замораживающие скважины вокруг вертикальной выработ­ ки располагают по концентрическим окружностям. Схему рас­ положения замораживающих скважин по одной окружности на­ зывают однорядной, по двум — двухрядной, по трем — трехряд­ ной и т. д. Число рядов замораживающих скважин вокруг вы­ работки зависит от проектной толщины ледопородного ограж­ дения, которая, в свою очередь, зависит от нагрузок на ледо­ породное ограждение, размеров выработки, сврйств пересекае­ мых пород.

ра внутренней окружности. При создании ледопородных ограж­ дений большей толщины замораживающие скважины распола­ гают в три и более ряда.

В случае, если в основании ствола отсутствует водоупорный пласт, то для устройства зумпфа или бетонной подушки породы в пределах ствола замораживают с помощью скважин, пробу­ ренных в контуре ствола. Число таких скважин принимают из расчета, чтобы на каждую внутреннюю колонку приходилась площадь не менее 4—5 м2. Скважины располагают равномерно по всей площади забоя.

При замораживании горных пород всжруг прямоугольных стволов замораживающие скважины располагают по прямо­ угольнику или по эллипсу. В этих случаях ледогрунтовая стена испытывает, кроме сжимающих, и растягивающие напряжения, что является нежелательным, так как предел прочности замо­ роженных горных пород растяжению примерно в 2—6 раз мень­ ше предела прочности сжатию. Поэтому при замораживании горных пород вокруг прямоугольных стволов шахт заморажи­ вающие скважины целесообразно располагать по окружности.

4.3.3. Производство горно-строительных работ

После создания ледопородного ограждения требуемых раз­ меров приступают к выемке породы и возведению временной и постоянной крепи. Для этого работу замораживающей стан­ ции переводят на пассивный режим замораживания, при кото­ ром замораживающая станция работает не на полную мощ­ ность, а вырабатывает количество холода, необходимое для поддержания ледопородного ограждения в замороженном со­ стоянии с заданными физико-механическими свойствами. Хладопроизводительность замораживающей станции в t пассивном режиме, как показывает практика, в среднем принимают рав­ ной половине рабочей хладопроизводительности станции в пе­ риод активного замораживания.

Технология строительства подземных сооружений, залегаю­

.условиях. Некоторые особенности в производстве горно-строи­ тельных работ имеют место при проходке вертикальных ство­ лов.

Проходку стволов в замороженных породах осуществляют по параллельной или последовательной схемам производства работ с использованием стандартного оборудования, которое применяют при проходке стволов в обычных горно-геологиче­ ских условиях. Отличие состоит лишь в некоторых особенно­

стях при производстве работ по разрушению замороженных по­ род и возведению постоянной крепи.

Последовательную схему производства работ применяют при проходке стволов глубиной до 200 м. Ствол по глубине в зависимости от горно-геологических условий и состояния ледо­ породного ограждения разбивают на звенья высотой 15—25 м. Выемку породы в звене производят заходками, равными высоте звена (длинные заходки), с применением временной крепи, ана­ логичной при проходке стволов небольшой глубины в обычных горно-геологических условиях с тбй лишь разницей, что затяж­ ку стенок ствола производят не сплошную, а вразбежку для на­ блюдения за состоянием замороженных пород. В тяжелых ус­ ловиях, при большом давлении горных пород и невысокой прочности замороженных пород выемку породы в звене осуще­ ствляют заходками высотой 1—3 м (короткими заходками) с возведением временной бетонной крепи толщиной 20—30 см с помощью металлической створчатой опалубки. После выемки породы на.высоту звена проходку ствола останавливают и сни­ зу вверх возводят постоянную крепь ствола.

Параллельную схему производства работ целесообразно применять при проходке стволов большой глубины. Ствол так­ же по глубине разбивают на звенья А—Г высотой до 80 м (рис. 4.22). Выемку породы в нижнем звене производят заход­ ками высотой 1—3 м с возведением временной бетонной крепи.

Постоянную крепь возводят в верхнем звене в направлении снизу вверх с применением того же оборудования, как при про­ ходке стволов в обычных горно-геологических условиях.

Способ разработки пород в забое зависит от свойств пере­ секаемых пород и степени их промороженности. Разработку мягких непромороженных пород типа песков и илов осущест­ вляют грейферными грузчиками с ручным или машинным вож­ дением. Гравелистые породы, мел и мергель, а также слабопромороженные пески и глины до температуры— (2—3) °С разру­ шают пневматическими отбойными молотками легкого и тяже­ лого типа, пневмоломами, глины и суглинки — пневматическими лопатами с последующей погрузкой породы грейферными груз­ чиками.

Применение пневматических инструментов при низких тем­ пературах имеет существенный недостаток, который заключа­ ется в том, что содержащаяся в сжатом воздухе влага замер­ зает в золотниках пневмоинструментов. В связи с этим необхо­ димо принимать меры по обезвоживанию сжатого воздуха. С этой целью сжатый воздух перед подачей его в забой пропус­ кают через змеевик, который помещают в баки с охлаждающим рассолом. Порядок разработки породы в забое предусматрива­ ет сначала выемку незамороженной породы в центре забоя на глубину 60—70 см, а затем отбойку замороженных пород от-