СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ЛЕДОПОРОДНОГО ОГРАЖДЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК E21D1/12 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для безопасного и эффективного ведения горных работ в сложных гидрогеологических условиях.

Известен способ строительства шахт под защитой ледопородного ограждения, сооружаемого путем искусственного замораживания горных пород прокачкой через замораживающие колонки хладоносителя. В процессе замораживания определяют границы ледопородного цилиндра (авт. св. СССР N 152138, кл. E 21 D 1/12, 1962) [1]
Однако данный способ требует для контроля качества производства работ бурения дополнительных скважин, в том числе вне замораживаемой зоны, размещение в них акустических датчиков и использование для регистрации сложных электронных устройств.

Известен также способ формирования ледопородного ограждения, принятого в качестве прототипа заявленного изобретения, включающий бурение скважин вдоль контура выработки до начала горностроительных работ, оборудование скважин замораживающими колонками, прокачку через них хладоносителя, охлажденного до отрицательных температур, формирование в режиме замораживания отдельных ледопородных тел и их смыкание в единое ледопородное ограждение, контроль за качеством этого ограждения Насонов И.Д. Шуплик М.Н. Ресин В.И. "Технология строительства горных предприятий", М. Недра, 1990, с. 125-133) [2]
Основные недостатки данного способа: высокие энергозатраты при прокачке хладоносителя через все замораживающие скважины в активном режиме, промораживание горных пород внутри контура выработки, вследствие которого возрастает стоимость сооружения объекта строительства.

Для реализации этого способа необходимо бурение термо- и гидронаблюдательных скважин. Первые из которых позволяют судить о границах ледопордного ограждения на данный момент замораживания путем периодического измерения температуры в замораживающих горных породах, вторые контролировать процесс смыкания отдельных ледопородных тел в замкнутое ограждение по подъему уровня воды в скважине. Выполнение работ по бурению этих скважин связано с ростом затрат на строительство ствола и увеличение срока ввода его в эксплуатацию. Кроме того, как показывает практика, указанный способ не обеспечивает достаточной надежности контроля качества ледопородного ограждения, что зачастую приводит к аварийным ситуациям как в процессе сооружения ствола, так и при его эксплуатации.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение безопасности и эффективности ведения горных работ в обводненных горных породах за счет управления процессом формирования ледопородного ограждения с одновременным контролем за смыканием отдельных ледопородных тел.

Для решения поставленной задачи управляют процессом формирования ледопородного ограждения путем его стадийного осуществления. Причем на всех стадиях проектный объем хладоносителя прокачивают через группу скважин в активном режиме замораживания, формируя тем самым отдельные ледопородные тела оптимальных размеров. Переход от одной стадии формирования их к другой осуществляют переключением группы скважин предыдущей стадии на пассивный режим замораживания, а отдельные ледопородные тела в единое ледопородное ограждение смыкают на конечной стадии его формирования путем подачи хладоносителя в последнюю группу скважин активного режима замораживания.

Процесс смыкания отдельных ледопородных тел в единое целое контролируют путем сравнения величины измерения температур по их абсолютному значению в скважинах при постадийном прокачивании через них проектных объемов хладоносителя в активном режиме замораживания. При этом термодатчики размещают на входе питающей трубы и на выходе отводящей трубы каждой замораживающей колонки и по их показаниям определяют разность температур хладоносителя у входа и выхода из скважины. Причем смыкание отдельных ледопородных тел в единое ледопородное ограждение следует считать состоящимся, если указанная разность температур замораживающих(ей) колонок(ки) на конечной стадии его формирования ниже значений(я) разности температур замораживающих(ей) колонок(ки) на начальной и промежуточной стадиях формирования ограждения:

где m порядковые номера замораживающих колонок начальной и промежуточной стадий формирования ограждения на i- ом водосносном горизонте;
ν_m порядковые номера замораживающих колонок конечной стадии формирования ограждения на i-ом водоносном горизонте.

Для снижения скорости фильтрационного потока в зоне замораживания горных пород, а также для дополнительного охлаждения подземных вод на их пути формируют противофильтрационную завесу. Защитная противофильтрационная завеса возводиться в непосредственной близости от ограждения и может охватывать частично или перекрывать полностью последнее. При этом противофильтрационная завеса может быть возведена одновременно с ограждением или заблаговременно для возведения под ее перекрытием ограждения.

Противофильтрационную завесу формируют через дополнительный(ые) ряд(ы) замораживающих скважин (колонок), а качество завесы считают удовлетворительным, если достигнуты условия неравенства:

где m порядковые номера замораживающих колонок дополнительного(ых) ряда(ов) начальной и промежуточной стадий формирования завесы на i -ом водоносном горизонте;
ν_m порядковые номера замораживающих колонок дополнительного(ых) ряда(ов) конечной стадии формирования завесы на i-ом водоносном горизонте.

В случае вывода о неудовлетворительном качестве смыкания отдельных ледопородных тел противофильтрационной завесы между собой или с ледопородными телами ограждения (см. фиг.1) в контролируемом водосносном участке прокачивают дополнительный объем хладоносителя.

Для повышения надежности смыкания отдельных ледопородных тел в единое ледопородное ограждение в контролируемом водосносном горизонте группу скважин каждой стадии формируют, исключив по возможности попадание в данную группу смежных (наиболее близко расположенных) скважин ограждения и завесы.

Неравенства (1) и (2) установлены на основании анализа экспериментальных данных, полученных в процессе формирования изоляционных завес в различных горнологических условиях. Анализ этих неравенств показал высокую надежность их работоспособности. Ранее для предлагаемых целей эти неравенства не использовались.

Доказательства работоспособности предлагаемого способа.

Стадийное формирование ледопородного ограждения и противофильтрационной завесы позволяет избежать промораживания обводненных горных пород внутри контура горной выработки, что проводит к снижению энергозатрат на сооружение объекта и позволяет в свою очередь использовать замораживающие станции меньшей мощности и тем самым улучшать технико-экономические показатели этого объекта.

Это достигается тем, что при смыкании отдельных ледопородных тел в единое ледопородное ограждение (противофильтрационную завесу) все скважины активного режима замораживания переводятся в пассивный режим, тем самым прервав дальнейший рост объема ледопородного ограждения (завесы).

С другой стороны, анализ параллельной схемы подключения замораживающих колонок свидетельствует о том, что пути, проходимые хладоносителем через каждую из колонок от распределителя до коллектора, будут равны, а, следовательно, гидравлические сопротивления будут также равны. Расход циркулирующего хладоносителя в каждой колонке будет одинаковым, одинаковым будет также давление на нагнетательной магистрали (распределителе) благодаря особенностям схемы подключения колонок.

На основании вышеуказанного тепловой поток Q, передаваемый от стенки колонки к хладоносителю на участке длиной l можно записать в общем виде
Q =cγG(t_o-t_l), кДж/ч, (3)
где C теплоемкость хладоносителя, кДж/кг. ^oC;
G расход хладоносителя через колонку, м³/ч.

t₀ температура хладоносителя на входе замораживающей колонки, ^oC;
t_l температура хладоносителя на выходе замораживающей колонки (участка длины l), ^oC;
γ плотность хладоносителя, кг/м³.

Рассмотрим случай для смежных замораживающих колонок 1 и 2.

Q₁= c₁γG₁Δt₁, кДж/ч, (4)
Q₂= c₂γG₂Δt₂, кДж/ч, (5)
Применительно к условиям замкнутой системы замораживания горных пород "распределитель-коллектор-распределитель" можно записать
G G₁ G₂, м³/ч,(6)
C C₁ C₂, кДж(кг ^oC)(7)
Как видим, величина теплового потока пропорциональна разности температур хладоносителя на входе и выходе замораживающей колонки
Q=kΔt, (8)
где k = cγG коэффициент пропорциональности.

Следовательно, если

то неравенство (9) показывает, что замораживающая колонка, обозначенная символом 1, отдала горным породам больше холода (отобрала больше тепловой энергии у окружающей породы), чем колонка 2, т.е.

Q₁ > Q₂(10)
При смыкании ледопородного тела, образованного на более поздней стадии формирования ограждения (завесы), с ледопородным телом, образованным на более ранней стадии, происходит значительное снижение температуры хладоносителя на входе и выходе замораживающей колонны за счет снижения прихода теплового потока к ее стенкам. Следовательно, выполнение условия неравенства (9) говорит о том, что при прочих одинаковых условиях это возможно только при смыкании ледопородного тела, образованного замораживающей колонкой 2, с ледопородным телом, образованным замораживающей колонкой 1. Поэтому осуществление контроля качества формирования ледопородных ограждений и завес через температурной показатель хладоносителя является надежным средством при выполнении подобных горных работ.

При использовании стадийного замораживания пород на начальной стадии формирования ледопородного ограждения в работу включают, например две диаметрально противоположные колонки 1 и 2. После прокачивания в активном режиме замораживания через эти колки проектных объемов хладоносителя переводят в пассивный режим замораживания и через каждую колонку после этого прокачивают такого количества холода, которое достаточно только для поддерживания постоянной температуры в ледопородном теле и возмещения его тепловых потерь. Затем в работу включают в активном режиме замораживания две другие диаметрально расположенные колонки 3 и 4 и в процессе прокачивания через них расчетного объема хладоносителя измеряют разность его температур на входе и выходе каждой из них и по этим показателям судят о сплошности ледопородного ограждения в контролируемом водоносном горизонте. Качество ограждения является удовлетворительным при соблюдении условий неравенств:

При выполнении условий неравенств (11) можно констатировать факт смыкания прискважинных ледопородных тел, образованных замораживающими колонками 1, 2, 3 и 4, в единое (замкнутое) ограждение.

В случае обнаружения нарушения сплошности ограждения между скважинами через колонку (и) конечной стадии его формирования прокачивают дополнительный объем хладоносителя.

Анализ приведенных неравенств показывает, что если Δt_i за вычетом потерь на трение при транспортировке хладоносителя по колонке приближается к нулю, следовательно процесс замораживания пород практически прекратился, о чем свидетельствует близость значений температур на входе и выходе замораживающей колонки.

На фиг. 1 показана схема формирования ледопородного ограждения в породах с неподвижной водой (в) и в фильтрующих порода (с); на фиг. 2 то же (вариант).

Обозначения на фиг. 1: А контур ствола; B и C оси ограждения с нормами колонок 1.8 и провофильтрационной завесы с номерами колонок 9.20 дополнительного ряда; Д нарушение сплошности ограждения между колонками 3 и 4; Б нарушение сплошности завесы между колонками 10 и 11 дополнительного ряда колонок; I и IV начальная стадия формирования ограждения (скважины 1 и 5) и завесы (скважины 9, 11 и 13); 11 промежуточная стадия формирования ограждения через колонки 3 и 7; III V конечная стадия формирования ограждения (колонки 2, 4, 6 и 8) и завесы (колонки 10 и 12). Колонки 14.20 используют в случае формирования ограждения под защитой полной завесы. Возможно применение схемы замораживания горных пород, показанной на фиг. 2, где 21 ледопородное ограждение; 22 провофильтрационная завеса; символами (.) и (0) обозначены замораживающие колонки начальной и конечной стадий формирования ограждения и завесы.

Под нарушением ограждения понимается отсутствие смыкания отдельных ледопородных тел в единое целое.

Ниже изложены примеры последовательности выполнения технологических операций стадийного формирования ледопородного ограждения.

Вариант А. При обычном замораживании (пластовые воды неподвижны) внешний теплоприток их окружающих пород к формируемому ледопородному ограждению с течением времени уменьшается и в дальнейшем практически стабилизируется.

Используя метод сближения скважин на начальной стадии формирования ледопородного ограждения (зоны 1 на фиг. 1), бурят две диаметрально противоположные скважины 1 и 5, оборудуют их замораживающими колонками и прокачивают через них в активном режиме замораживания проектный объем хладоносителя, измеряют разность температур на входе и выходе каждой замораживающей колонки. Затем переключают эти колонки на пассивный режим замораживания пород. На промежуточной стадии формирования ограждения (зоны II на фиг. 1) пробуренные скважины 3 и 7, расположенные на диаметре, перпендикулярном к первому, оборудуют замораживающими колонками, прокачивают через них в активном режиме проектный объем хладоносителя, измеряют разность его температур на входе и выходе каждой замораживающей колонки и переключают последние на пассивный режим замораживания. На конечной стадии формирования ограждения (зоны III на фиг. 1) пробуренные скважины 2, 4, 6 и 8 оборудуют замораживающими колонками, прокачивают в активном режиме замораживания пород проектный объем хладоносителя, измеряют разность его температур на входе и выходе каждой замораживающей колонки, по абсолютному значению разности температур сравнивают показания этих колонок между собой и судят о качестве ледопородного ограждения, пользуясь условиями неравенств (1) и (2).

В случае вывода о нарушении сплошности ледопородного ограждения между скважинами через колонку (и) конечной стадии его формирования прокачивают дополнительный объем хладоносителя. Разность температур хладоносителя замеряют два раза в сут в первые 10 15 дн замораживания, в дальнейшем показания термодатчиков снимают в одни и те же часы один раз в сут.

Например, данные измерения показывают, что Δt₁ 25^oC, Δt₅ 24,5^oC, Δt₃ 24,8^oC, Δt₇ 25,5^oC, Δt₄ 32^oC, Δt₆ 19^oC, Δt₈ 21,5^oC, Δt₂ 20^oC. Очевидно между скважинами (колонками) 3 и 4 нет смыкания ледопородных тел в единое целое (см. фиг. 1), поэтому в скважину 4 необходимо прокачать дополнительный объем хладоносителя.

Вариант Б. При замораживании фильтрующих пород с повышенным внешним теплопритоком по сравнению с обычными условиями замораживания на начальной стадии формируют противофильтрационную завесу (зоны IV на фиг. 1), под защитой которой сооружают основное ледопородное ограждение. Для этих целей пробуренные за контуром ствола А на пути подземных вод скважины 9, 11 и 13 оборудуют замораживающими колонками и прокачивают через них в активном режиме замораживания проектный объем хладоносителя, измеряют разность его температур на входе и выходе каждой замораживающей колонки, переключают последние на пассивный режим замораживания горных пород. На конечной стадии формирования противофильтрационной завесы (зоны V на фиг. 1) пробуренные скважины 10 и 12 оборудуют замораживающими колонками, прокачивают через них в активном режиме замораживания пород проектный объем хладоносителя, измеряют разность его температур на входе и выходе каждой замораживающей колонки, сравнивают эти показатели между собой по абсолютному значению и судят о качестве ледопородного ограждения по формулам (1) и (2).

В случае вывода о нарушении сплошности ледопородного ограждения между скважинами через колонку(и) конечной стадии формирования противофильтрационной завесы прокачивают дополнительный объем хладоносителя.

Например, данные измерений таковы: Δt₉ 38^oC, Δt₁₁ 30^oC, Δt₁₃38^oC, Δt₁₀ 32^oC, Δt₁₂ 35^oC. Из этих данных видно, что нет смыкания ледопородных тел между скважинами 11 и 10, поэтому через скважину 10 необходимо прокачать дополнительный объем хладоносителя.

Вариант В. В условиях значительной фильтрации подземных вод формируют полную фильтрационную завесу. Для чего, используя метод "треугольников", на начальной стадии формирования полной фильтрационной завесы скважины 10, 14 и 18 дополнительного ряда оборудуют замораживающими колонками, прокачивают в активном режиме замораживания через них проектный объем хладоносителя, измеряют его температуру на входе и выходе каждой замораживающей колонки и переключают после чего последние на пассивный режим замораживания.

На промежуточной стадии формирования завесы скважины 12, 16 и 20 оборудуют замораживающими колонками, прокачивают в активном режиме замораживания через них проектный объем хладоносителя, измеряют разность температур хладоносителя на входе и выходе каждой замораживающей колонки и переключают последние на пассивный режим замораживания горных пород.

На конечной стадии формирования завесы скважины 9, 11, 13, 15, 17 и 19 оборудуют замораживающими колонками, прокачивают в активным режиме через них проектный объем хладоносителя, измеряют разность температур на входе и выходе каждой колонки, сравнивают их между собой по абсолютному значению и определяют качество фильтрационной завесы по формуле (2).

В случае выхода о нарушении сплошности противофильтрационной завесы между скважинами в контролируемом водоносном горизонте через колонку(и) на конечной стадии ее формирования прокачивают дополнительный объем хладоносителя.

Вариант С. Для снижения скорости фильтрационного потока в зоне замораживания горных пород, а также для дополнительного охлаждения подземных вод на пути фильтрационного потока в начале формируют противофильтрационную завесу фронтального типа прокачиванием хладоносителя через скважины на начальной стадии, обозначенные символом (.), а затем через скважины, обозначенные символом (0) (см. фиг. 2). В процессе прокачивания хладоносителя регистрируют разность температур хладоносителя на входе питающей и выходе отводящей труб каждой замораживающей колонки и по абсолютному значению разности этих температур судят о качестве ледопородного ограждения по формуле (2) и в случае нарушения ее сплошности через замораживающую(ие) колонку(и) конечной стадии формирования завесы прокачивают дополнительный объем хладоносителя.

Затем на начальной стадии формируют ледопородное ограждение прокачиванием проектного объема хладоносителя через скважины, обозначенные символом (.), измеряют разность температур на входе питающей и выходе отводящей труб, затем переводят эти скважины на пассивный режим замораживания.

На конечной стадии формируют ледопородное ограждение прокачиванием проектного объема хладоносителя через скважины, обозначенные символом (0), измеряют разность температур на входе питающей и выходе отводящей труб каждой скважины, сравнивают их между собой по абсолютному значению и судят о качестве ледопородного ограждения (по формулам 1 и 2), переводят эти скважины затем на пассивный режим замораживания и сооружают выработку.

В случае вывода о нарушении сплошности ледопородного ограждения между скважинами в контролируемом водоносном горизонте через колонку(и) конечной стадии его формирования прокачивают дополнительный объем хладоносителя.

Предлагаемый способ формирования ледопородного ограждения характеризуется простотой в исполнении, использованием замораживающих станций меньшей мощности, снижением стоимостных показателей сооружения выработки за счет снижения энергозатрат при стадийном формировании ледопородных тел оптимальных размеров в заданные сроки и предотвращения промораживания обводненных горных пород внутри контура горной выработки.

Теоретически обоснована возможность контроля процесса смыкания ледопородных тел в единое ледопородное ограждение, противофильтрационную завесу, позволяющий определить нарушение сплошности ограждения, завесы между замораживающими скважинами и принять оперативные меры по его ликвидации.

Область применения способа формирования ледопородного ограждения - замораживание обводненных горных пород при сооружении шахтных стволов (выработок), стволов коллекторных тоннелей и стволов метрополитенов, городском, транспортном и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для безопасного и эффективного ведения горных работ в сложных гидрогеологических условиях. Сущность изобретения заключается в том, что процессом формирования ледопородного ограждения управляют стадийно, причем на всех стадиях проектный объем хладоносиетля прокачивают через группу скважин в активном режиме замораживания, формируя тем самым отдельные ледопородные тела оптимальных размеров. Переход от стадии к стадии осуществляют переключением группы скважин предыдущей стадии на пассивный режим замораживания, направленное смыкание отдельных ледопородных тел в единое ледопородное ограждение производят в заданные строки на конечной стадии его формирования. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ формирования ледопородного ограждения, включающий бурение скважин вдоль контура выработки до начала горно-строительных работ, оборудование скважин замораживающими колонками, прокачку через них хладоносителя, охлажденного до отрицательных температур, формирование в режиме замораживания отдельных ледопородных тел и их смыкание в единое ледопородное ограждение, контроль за процессом его формирования, отличающийся тем, что процесс формирования ледопородного ограждения выполняют стадийно, на всех стадиях сначала проектный объем хладоносителя прокачивают через группы скважин в активном режиме замораживания и формируют при этом отдельные ледопородные тела, затем эти группы скважин при переходе к следующей стадии работ переключают на пассивный режим замораживания и образуют новую группу скважин для активного режима замораживания, а направленное смыкание отдельных ледопородных тел в единое ледопородное ограждение осуществляют на конечной стадии его формирования. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что контроль за процессом формирования породного ограждения осуществляют по разности абсолютных значений температур хладоносителя до и после подачи его в скважины, через которые прокачивают проектные объемы хладоносителя в активном режиме замораживания, при этом термодатчики размещают на входе питающей и на выходе отводящей труб каждой замораживающей колонки, при этом смыкание ледопородных тел в единое ледопородное ограждение устанавливают по выполнению условия непревышения разности температур хладоносителя на входе и выходе замораживающих(ей) колонок(ки) конечной стадии формирования ледопородного ограждения над разностями температур хладоносителя на входе и выходе замораживающих(ей) колонок(ки) начальной и промежуточной стадий формирования этого же ограждения

где m порядковые номера замораживающих колонок на начальной и промежуточной стадиях формирования ограждения на i-м водоносном горизонте;
ν_m порядковые номера замораживающих колонок на конечной стадии формирования ограждения на i-м водоносном горизонте. 3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что на пути фильтрационного потока подземных вод формируют противофильтрационную завесу стадийно путем прокачки через дополнительный(ые) ряд(ы) замораживающих скважин прокатного объема хладоносителя в активном режиме замораживания, а под ее защитой формируют летопородное ограждение, при этом качество формирования противофильтрационной завесы устанавливают по факту выполнения условий неравенств

где θ_m порядковые номера замораживающих колонок дополнительного(ых) ряда(ов) начальной и промежуточной стадий формирования завесы на i-м водоносном горизонте;
η_m порядковые номера замораживающих скважин дополнительного(ых) ряда(ов) конечной стадии формирования завесы на i-м водоносном горизонте. 4. Способ по пп. 1 3, отличающийся тем, что для повышения надежности смыкания отдельных ледопородных тел в единое ледопородное ограждение (противофильтрационную завеску) в контролируемом водоносном горизонте группу скважин каждой стадии формируют из несмежных скважин контура ограждения (завесы). 5. Способ по пп. 1 3, отличающийся тем, что при выявлении неудовлетворительного качества смыкания отдельных ледопородных тел через замораживающие(ую) скважины(у) конечной стадии формирования ограждения (противофильтрационной завесы) в контролируемом водоносном горизонте прокачивают дополнительный объем хладоносителя.