Способ замораживания пород Советский патент 1983 года по МПК E21D1/12 

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, включаюш,ий бурение замораживаюш,их 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,,0 м, при проходке стволов замораживающие колонки вместе с окружающими породами деформируются внутрь ствола. В результате этого трубы колонок разрываются в местах резьбовых соединений. Выщедший из колонок рассол (раствор хлористого кальция) размораживает ограждение вокруг отвала, и вода с песком заполняет ствол.

Известен также способ замораживания пород на больщие 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 - повыщение качества замораживания путем предотвращения разрывов замораживающих колонок.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу замораживания пород, вклю|чающему 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 внещней нагрузки на ледопородное ограждение и длительной прочности замороженных пород в соответствии с соотношением

l i+06}f

. -.Хб.,

где -радиус окружности расположения замораживающих скважин, м; радиус ствола в проходке, м; р -величина горизонтального давления на ледопородное ограждение, МПа;

d -Предел длительной прочности замороженных пород, МПа. На фиг. 1 представлено изменение градиента Л РН 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 напряжении с отклонением скважин по глубине во внешнюю сторону; на фиг. 3 - зависимость коэффициента концентрации напряжений Kg(K,j , где d - наибольшее нормальное напряжение в массиве пород вокруг ствола, МПа; Р - горизонтальное давление на заданной глубине в нетронутом массиве пород (в массиве пород за контуром ствола в проходке от обобщенного радиуса R/RB); где R текущий o радиус в глубь массива от контура ствола, RB - 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 занид мают 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

5 хлористого кальция) из рассольной сети замораживающей станции.

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

0 R,7-R напряжения в массиве выравниваются и соответствуют величине начальной нагрузки Р„ на ограждение, так как . Следовательно, если колонки 1 расположить в зоне 5, то напряжение в колонках при проходке ствола будут минималь-ными (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

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

5 положение 4.

В предлагае.мом способе в качестве определяющего критерия оценки радиуса R расположения скважин 1 может быть принято соотношение горизонтальной нагрузки Р„ на ледопородное ограждение и предела длительной прочности 6. замороженных пород ограждения. При этом радиус окружности расположения скважин выбирается в соответствии с соотношением

1+о,бУ|1,

о/

Кьб

где RC радиус окружности расположения замораживающих скважин, м; радиус ствола в проходке, м; величина горизонтального давления на ледопородное ограждение, МПа; 6у- 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 повыщенных напряжений с радиусом Rj. В связи с этим формула (1) может применяться для выбора безопасного радиуса расположения замораживающих скважин вокругстволов, сооружаемых на большие глубины (более 300 м). Зависимость (1) получена из следующих предпосылок. При условии, когда главные нормальные напряжения, возникающие в ледопородном огражде1;1ии (ЛПО), не превосходят предела прочности замороженных пород, необходимая несущая толщина ЛПО определяется по известной зависимости «вС По данным многочисленных натурных и экспериментальных работ установлено, что на конец периода формирования ЛПО толщина ограждения во внутреннем направл нии,6E, где Е - 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 Е5 0,6Е, а во внешнем - Ej, 0,4E. После подстановки в формулу (2) выражения для толщины ограждения Е, полученного из зависимости (3), получим D v 0,6 -Мб; Разделив почленно на R левую и правую части выражения (4) после несложных преобразований, получим .. т Выражение (5) отличается от выраж ния (1) только знаками между левой и правой частями, т. е. в формуле (1) принят знак (больще 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 (Г) в безразмерном виде отражает новое условие, Ограничивающее радиус расположения колонок вокруг ствола в зависимости от критерия оценки прочности и деформируемости роста ЛПО в процессе замораживания пород. Пример конкретного выполнения предлагаемого 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 Зковлевского месторождения КМ.4 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 ползучести в ледопородном ограждении. По 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 .выбор радиуса расположения скважин по формуле (1) производить для неустойчивых глин. В таблице представлены рекомендуемые величины радиусов окружности расположения замораживающих скважин, начиная с глубины 310 м, для условий проходки стволов на Яковлевском месторождении КМА.. V

310

3,5 471 5,9 it96 6,1

9,1 9,7 9,8

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.

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 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 5 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.