Способ замораживания пород

 

СПОСОБ ЗАМОРАЖИВАНИЯ ПОРОД, включающий бурение замораживаюших скважин вокруг ствола, монтаж Б скважинах замораживающих колонок и подачу хладоносителя в колонки, отличаюлPffro ,Лff/ щийся тем, что, с целью повышения качества замораживания путем предотвращения раз. рывов замораживающих колонок, бурение скважин с глубины развития неупругих деформаций пород осуществляют с отклонением от вертикали наружу, причем радиус окружности расположения скважин по глубине выбирают в зависимости от внешней нагрузки на ледопородное ограждение и длительной прочности замороженных пород в соответствии с соотношением 1/+0- С гдетгс.- радиус окружности расположения замораживающих скважин, м; радиус ствола в проходке, м; РН - величина горизонтального давления на ледопородное ограждение МПа; 7 предел длительной прочности замороженных пород, МПа.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК з(Ю Е 21 D 1 12 >1+0,6, Râ

1Г

АРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР (21) 3327270/22-03 (22) 21.08.81 (46) 07.07.83. Бюл. № 25 (72) С. А. Съедин (71) Всесоюзный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт по осушению месторождений полезных ископаемых, специальным горным работам, рудничной геологии и маркшейдерскому делу (53) 624.139 (088 8) (56) 1. Трупак FI. Г. Замораживание горных пород при проходке стволов. М., Углетехиздат, 1954, с. 213.

2. «Шахтное строительство», 1981, № 4, с. 15 — 18 (и рототи п) . (54) (57) СПОСОБ ЗАМОРАЖИВАНИЯ

ПОРОД, включающий бурение замораживающих скважин вокруг ствола, монтаж в скважинах замораживающих колонок и подачу хладоносителя в колонки, отличают,лмЫ

Ы.Я0 о 1027399 А щийся тем, что, с целью повышения качества замораживания путем предотвращения раз; рывов замораживающих колонок, бурение скважин с глубины развития неупругих деформаций пород осуществляют с отклонением от вертикали наружу, причем радиус окружности расположения скважин по глубине выбирают в зависимости от внешней нагрузки на ледопородное ограждение и длительной прочности замороженных пород в соответствии с соотношением где R — радиус окружности расположения замораживающих скважин, м; радиус ствола в проходке, м;

Р„ - величина горизонтального давления на ледопородное ограждение, МПа; д - предел длительной прочности замороженных пород, МПа.

1027399

Изобретение относится к строительству шахт с применением способа искусственного замораживания пород и может быть использовано преимущественно при сооружении вертикальных стволов на большие глубины (свыше 300 м) .

Известен способ замораживания пород, включающий бурение замораживающих скважин и подачу в них хладоносителя (1).

Недостатком известного способа является то, что из-за малого расстояния от замораживающих скважин до контура ствола в проходке, равного 0,42 — 1,0 м, при проходке стволов замораживающие колонки вместе с окружающими породами деформируются внутрь ствола. В результате этого трубы колонок разрываются в местах резьбовых соединений. Вышедший из колонок рассол (раствор хлористого кальция) размо ражи вает ограждение вокруг отвала, и вода с песком заполняет ствол.

Известен также способ замораживания пород на большие глубины, включающий бурение замораживающих скважин вокруг ствола, монтаж в скважинах труб колонок и подачу хладоносителя в колонки (2).

Недостаток этого способа — явление массового разрыва колонок внутреннего ряда.

Цель изобретения — повышение качества замораживания путем предотвращения разрывов замораживающих колонок.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу замораживания пород, включающему бурение замораживающих скважин вокруг ствола, монтаж в скважинах замораживающих колонок и подачу хладоносителя в колонки, бурение скважин с глубины развития неупругих деформаций пород осуществляют с отклонением от вертикали наружу, причем радиус окружности расположения скважин по глубине выбирают в зависимости от внешней нагрузки на ледопородное ограждение и длительной прочности замороженных пород в соответствии с соотношением

1+0 P„ В т где! — радиус окружности расположения замораживающих скважин, м; радиус ствола в проходке, м; „-величина горизонтального давления на ледопородное ограждение, МПа;

Ь - предел длительной прочности замороженных пород, МПа.

На фиг. 1 представлено изменение градиента Ь Р„горизонтального давления на ледопородное ограждение в рыхлой толще пород от глубины залегания слоя мела, мергеля, глины; на фиг. 2 — схема расположения замораживающих скважин за зоной повышенных напряжений с отклонением скважин по глубине во внешнюю сторону; на фиг. 3 — зависимость коэффициента концентрации напряжений К (К -= — ", где 4— наибольшее нормальное напряжение в массиве пород вокруг ствола, МПа; P — горизонтальное давление на заданной глубине в нетронутом массиве пород (в массиве пород .за контуром ствола в проходке от обобщенного радиуса R/R ); где R — текущий !

О радиус в глубь массива от контура ствола, R> — радиус ствола в проходке.

Способ осуществляют следующим образом.

Замораживающие скважины 1 бурят за зоной 2 повышенных напряжений и интенсивных деформаций ледопородного ограждения 3. Причем, по мере увеличения глубины (горизонтального давления на ледопородное ограждение) замораживающие скважины удаляются от центра ствола и занимают в плане положение 4.,В пробуренных с помощью известных средств (не показано) скважинах монтируют замораживающие колонки, состоящие из замораживающих и питающих труб (не показано), в которые подают хладоноситель (водный раствор

25 хлористого кальция) из рассольной сети замораживающей станции.

График (фиг. 3) получен по данным экспериментов, позволяет оценить радиус Кв зоны повышенных напряжений для различных радиусов R в проходке стволов. При

К = 1,7 R напряжения в массиве выравнйваются и соответствуют величине начальной нагрузки Р„на ограждение, так как

К =1. Следовательно, если колонки 1 расположить в зоне 5, то напряжение в колонках при проходке ствола будут минимальными (такими же как до начала проходки).

В этом случае удаление колонок 1 за зону 2 позволяет предотвратить разрывы колонок в период проходки и крепления ствола.

Следует отметить, что под действием

4р возрастающего по глубине горного давления Р„увеличивается радиус R влияния повышенных напряжений. Поэтому радиус окружности R расположения скважин по глубине возрастает и забой скважины на конечной глубине замораживания принимает

4> положение 4.

В предлагаемом способе в качестве определяющего критерия оценки радиуса R расположения скважин 1 может быть принято соотношение горизонтальнои нагрузки

Р„на ледопородное ограждение и предела длительной прочности 6 замороженных пород ограждения. При этом радиус окружности расположения скважин выбирается в соответствии с соотношением ф>! —,-О,бф, 0У где R — радиус окружности расположения замораживающих скважин, м; R — радиус

1027399 ствола в проходке, м; Є— величина горизонтального давления на ледопородное ограждение, МПа; 6,. — предел длительной прочности замороженных пород, МПа.

Физическая сущность формулы (1) заключается в том, что замораживающие скважины располагаются на таком расстоянии от контура 6 ствола, чтобы напряжения, возникающие в ледопородном ограждении 3 в местах расположения скважин 1, не превосходили предела длительной прочности замороженных пород ограждения. В этом случае замораживающие колонки 1 не попадают в зону интенсивных деформаций 2 и обеспечивается их безопасная работа в период проходки и крепления ствола. Результаты, полученные по формуле (1), хорошо согласуются с данными экспериментов, т. е. радиус расположения скважин R попадает в зону 5, которая расположена за зоной повышенных напряжений с радиусом

R . В связи с этим формула (1) может применяться для выбора безопасного радиуса расположения замораживающих скважин вокруг стволов, сооружаемых на большие глубины (более 300 м).

Зависимость (1) получена из следующих предпосылок.

При условии, когда главные нормальные напряжения, возникающие в ледопородном ограждении (ЛПО), не превосходят предела прочности замороженных пород, необходимая несущая толщина ЛПО определяется по известной зависимости (2)

По данным многочисленных натурных и экспериментальных работ установлено, что на конец периода формирования ЛПО толщина ограждения во внутреннем направлении

Ев= R Râ= 0,6Е, (3) где Š— несущая толщина ЛПО.

0,6 — коэффициент, учитывающий динамику роста ЛПО во внутреннем направлении, который свидетельствует о том, что за счет меньшего теплопритока (охлаждения пород в сечении ствола) прирост ограждения внутренней зоны больше, чем во внешнем от замораживающих колонок 1 направлении. К концу процесса замораживания толщина ограждения во внутреннем от колонок направлении Ев=0,6Е, а во внешнем — Е„= 0,4Е.

После подстановки в формулу (21 выражения для толщины ограждения F, полученного из зависимости (3), получим

R — К1 R 1 %„ (4)

Разделив почленно íà R левую и правую части выражения (4) после несложных преобразований, получим — =1+0,61 » (5) т

Выражение (5} отличается от выражения (1) только знаками между левой и правой частями, т. е. в формуле (I) принят

15 знак (больше или равно), означающий, что отношение радиуса окружности расположения замораживающих скважин к радиусу ствола в проходке должно быть не менее безразмерной величины, стоящей в правой части выражения (1). В этом случае знаком

) выражается условие ограничения величины радиуса окружности расположения колонок со стороны развития деформаций зоны 2.

Таким образом, соотношение (1) в безразмерном виде отражает новое условие, ограничивающее радиус расположения колонок вокруг ствола в зависимости от критерия P /6 оценки прочности и деформит руемости роста ЛПО в процессе замораживания пород.

Пример конкретного выполнения пред30 лагаемого способа рассматривается в сравнении со способом замораживания пород до глубины 620 м, который в настоящее время применяется для проходки стволов

Яковлевского рудника КМА. Для условий

Яковлевского месторождения КМА градиент горизонтального давления на ледопородное ограждение достигает максимальной величины на глубине 300 м. В связи с этим, начиная с этой глубины, наиболее интенсивно развиваются деформации ползучссти

4о в ледопородном ограждении. Г!о данным натурных наблюдений разрывы колонок в основном приурочены к контактам неустойчивых глин и прочных в мерзлом состоянии пород (песка, песчаника, известняка и др.), Поэтому наиболее целесообразно

45 .выбор радиуса расположения скважин по формуле (1) производить для неустойчивых глин. В таблице представлены рекомендуемые величины радиусов окружности расположения замораживающих скважин, начи50 ная с глубины 310 м, для условий проходки стволов на Яковлевском месторождении

КМА.

1027399

Порода

Глубина, Нагрузка на ледопородное orДлительная прочность мерзлых пород т

МПа

Радиус окружности расположения скважин,R м раждение

Р, МПа

2,18

310

Глина

3 5

9 1

471

2,74

Глина

5 9

9,7

496

6,1

2,74

Глина

9,8

Как следует из таблицы, при радиусе ствола в проходке 5,15 м (на участке установки узлов податливости) радиус окружности расположения скважин в интервале глубин более 300 — 496 м изменяется в пределах 9,1 — 9,8 м, а расстояние от контура ствола до колонок составит 3,95 — 4,65 м is в этом случае, как показал опыт проходки стволов на большие глубины, замораживающие колонки не попадают в зону 2 повышенных напряжений и деформаций пород, а находятся в зоне 5 и работают в безопасных условиях.

Предлагаемый способ предотвратит разрывы замораживающих труб колонок и аварии с затоплением стволов. Кроме того, удаление колонок от контура ствола в проходке позволит не промораживать забой ствола, что увеличит средние темпы проходки стволов для условий Яковлевского месторождения более чем в 2,4 раза.

Как показал опыт проходки стволов 2 и 3 Яковлевского рудника внутренний ряд замораживающих колонок из-за разрывов труб практически не работал в интервале глубин 390 — 620 м. В связи с этим внедрение предлагаемого способа при сооружении других стволов Яковлевского рудника позволит также на каждом стволе сократить общее количество замораживающих скважин, а следовательно, сократить сроки и затраты на бурение скважин и монтаж колонок.

1027399

1Р E/р. !

Составитель Н. Иванона

Редактор P. Циника Техред И. Верес Корректор В. Гирняк

Заказ 4697/37 Тираж 603 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушска я наб.. i. 4/5

Филиал ППП «Патент», г. Ужгород, ул. Г!росктная, 4