Замораживающая колонка Советский патент 1986 года по МПК E21D1/14 

Изобретение относится к искусственному замораживанию горных пород при строительстве стволов шахт в сложных горно- и гидрогеологических условиях и может быть использовано при создании ледопородных лгражде- НИИ на большую глубину.

Цель изобретения - повышение эффективности замораживания за счет более точного определения толщины ледопородного ограждения.

На чертеже изображена замораживающая колонка, продольный разрез, и условно показаны три слоя замораживаемых горных пород.

На внешней поверхности питающей трубы 1, расположенной в замораживающей трубе 2, размещен слон 3 тепловой изоляции. Прибор 4 ультразвукового контроля расположен в питающей трубе 1 с возможностью перемещения его по глубине колонки. Датчики 5-tt установлены на внешней поверхности питающей трубы 1. Датчики 12-15 установлены на внешней поверхности слоя 3 тепловой изоляции. При этом датчики 7,12 размещены на горизонте кровли слоя 16 замораживаемой горной породы, датчики 8,13 размещены на горизонте кровли следуницего снизу слоя 17 горной породы, датчики 9,14 размещены на горизонте кровли слоя 18 горной породы, датчики 10,15 размещены на горизонте почвы слоя 18 горной породы.

На дневной поверхности в измерительной лаборатории установлены последовательно соединенные переключатель 19 датчиков, вторичньй измерительный преобразователь 20, запоминающий прибор 21, арифметически прибор 22, функциональный преобразо ватель 23. К переключателю 19 датчиков подсоединены датчики температуры 5-15.

Там же установлен программно-временной прибор 24, который своими управляющими выходами 25-30 соединен с переключателем 19 датчиков, вторичным измерительным преобразователем- 20, запоминающим прибором 21, арифметическим прибором 22,функциональным преобразователем 23 и ключевым выключателем 31 для включения эталонного источника тепла 32.

Переключатель 19 датчиков, вториный измерительный преобразователь

34640

20, запоминающий прибор 21, арифметический прибор 22, функциональный преобразователь 23, программно-временной прибор 24 в совокупности

5 составляют измерительное приспособление 33.

Эталонный источник 32 тепла установлен внутри питающей трубы 1 между датчиками 5 и 6 температуры.

10 Наличие эталонного источника 32 тепла позволяет регулярно измерять комплексный параметр G теплового режима работы колонки, характеризующий величину мощности теплового

15 потока, подводимого к циркулирую- щему хладоносителю, необходимую для нагрева хладоносителя на 1°С.. Этот параметр определяется по формуле (1), полученной из уравнения

20 теплового баланса участка питающей трубы 1, заключенного между датчиками 5 и 6 температуры пРИ включенном источнике 32 тепла:

25

- Т)

(1)

0

5

0

5

где G

- объемный расход хладоносителя, м /с;

С - удельная объемная теплоемкость хладоносителя, Дж/м v°C;

Т - температура хладоносителя в питающей трубе 1 источника 32 тепла, измеряемая датчиком 5 температуры , С;

:Т - температура хладоносителя в питающей трубе 1 ниже источника 32 тепла, измеряемая датчиком 6 температуры, С; q - мощность теплового потока от эталонного источника 32 тепла к хладоносителю в питакяцей трубе 1, Вт,

Параметр G с использованием показаний датчиков 7-15 температуры, установленных на горизонтах почв и кровель слоев 16-18 замораживаемых горных пород, позволяет определить по уравнению (2) теплового баланса для участка замораживающей колонки

мощность теплового потока q из

.. . ГМг

какого-либо i- Fo слоя горных пород к со.ответствующему i-му участку длины замораживающей колонки

Ч.„, G. (Т,„ -Т„, -Т„ ., ) (2)

где Т

НА;

Т

пв

пн,

-температура хладоноси- теля в межтрубном пространстве на горизонте кровли i-ro замораживаемого слоя горных пород, °Г

-

-температура хладоноси- теля в питающей трубе 1 на горизонте кровли

i-ro слоя горных по- род, С; Т. - температура хладоносителя в межтрубном пространстве на горизонте почвы i-ro слоя горных пород, С;

-температура х-падоноси- теля в питающей трубе 1 на горизонте почвы i-ro слоя пород, °С; .

q - мощность теплового поfMi,

тока из 1-го слоя горных пород к i-му участк длины замораживающей колонки, Вт.

Например, для слоя 17 замораживаемых горных пород температура Т определяется датчиком 13 температуры, температура Т„„, - датчиком 14, температура Т. - датчиком 8, температура „„; - датчиком 9.

Использование полученных мощностей тепловых потоков q в качест- rwi

не граничных условий второго рода в функциональном преобразователе 23 позволяет более точно определить толщину фактически созданного ледо- породного ограждения раздельно для каждого i-ro замораживаемого слоя горных пород.

Точность определения толщины ледопородного ограждения повышается, поскольку исклочеиа необходимость задания неопределенных граничных условий первого рода - температуры горной породы, непосредственно примыкающей к внешней поверхности замораживающей трубы 2.

Повышение точности определения толщины ледопородного ограждения позволяет повысить эффективность технологического процесса заморажи- вания за счет более обоснованного управления этим процессом.

Замораживающая колонка работает следующим образом.

Охлаждённый хладоноситель нагнетается в питающую трубу 1 и, возвра

5

10

fs

0

5

0

5

5

щаясь по пространству между замораживающей трубой 2 и слоем 3 тепловой изоляции, охлаждает горные породы, окружающие колонку, до образования ледопородного ограждения заданных размеров..

При проведении ультразвукового контроля состояния ледопородного ограждения прибор 4 ультразвукового контроля опускается в питающую трубу, причем на время проведения ультразвукового контроля из питающей трубы 1 демонтируется эталонный источник 32 тепла.

При определении толщины ледопородного ограждения по температурным факторам управление переключателем 19, вторичным измерительным преобразователем 20, запоминающим прибором 21, арифметическим прибором 22, функциональным преобразователем 23,ключевым выключателем 31 осуществляется с помощью пpoгpa в нo- временного прибора 24 через выводы 25-29. Датчики 7-15 температуры последовательно подключаются с помощью переключателя 19 датчиков температуры к вторичному измерительному преобразователю 20, показания которого запоминаются в запоминающем устройстве 21. Затем с помощью ключевого выключателя 31 включается эталонный источник 32 тепла. Датчики 5 и 6 с помощью переключателя 19 датчиков температуры последовательно подключаются к вторичному измерительному преобразователю 20,показания которого при этом также запоминаются в запоминающем приборе 21. После этого по формулам (1) и (2) в арифметическом приборе 22 производится определение мощности тепловых потоков Из слоев замораживаемых горных пород к замораживающей колонке. При определении мощности теплового потока, например q (из слоя 17 замораживаемых горных пород), по команде программно-временного прибора 24 из запоминающего прибора 21 считываются показания датчиков 5,6,8,9,13,14 (обозначим эти показания Tj , Т , Т, , Т, , Т,, , Т COOT- ветственно), которые подаются на вход арифметического прибора 22. Арифметический прибор 22 на своем выходе при этом реализует функцию (3):

(т -т -т +7- )

13 1-. а ч

(3)

Таким образом, на выходе арифметического прибора образуется сигнал, пропорциональный мощности теплового потока q из слоя 17 заморажи ГМ 7

ваемых горных пород к замораживающей колонке, причем коэффициент пропорциональности известен и равен мощности эталонного источника 32 тепла. Полученный сигнал использует- ся в функциональном преобразователе 23 в виде граничного условия второго рода. При этом в граничные узловые точки сетки электроинтегратора входящего в состав функционального преобразователя 23, подается ток, пропорциональный тепловому потоку q /По уровню напряжения на узловых точках сетки электроинтегратора определяются геометрические параметры ледопородного ограждения, в том числе и его толщина.

Монтаж гирлянды датчи сов 5-15 температуры может осуществляться одновременно с монтажом питакнде й тру- бы 1 и нанесением слоя 3 изоляции, выполненной, из рулонного материала. При этом датчики 5-11 температуры прибинтовываются к питающей грубе 1 рулонной теплоизоляцией по мере опускания питающей трубы-1 в колонку

При установке датчиков 12-13 температуры линия связи от нижележащих датчиков температуры и устанавливаемый датчик отводятся от питающей трубы 1, на трубу 1 накладывается слой изоляции, а поверх него укрепляются линия связи и устанавливаемый датчик.

Эталонный источник 32 тепла устанавливается внутри питаняцёй трубы 1 так, чтобы он не касался ее внутренних стенок. Глубина установки эталонного источника 32 тепла может составлять ориентировочно 1-5 м. Шводы кабеля питания эталонного источника 32 тепла и линий связи датчиков 5-15 температуры из замо- ращ1вающей: колонки герметизируются сальниками, рассчитанньми на рабочее давление хладоносителя в питающей трубе 1 и в межтрубном пространстве.

Измерительный прибор 33 монтируется в специальном отапливаемом помещении на поверхности земли.

Ключевой выключатель 31 располагается на оголовке замораживающей колонки в галерее ствола.

Редактор М. Циткина Заказ 2963/41

Составитель Л. Черепенкина

Техред Л.Сердюкова Корректоре. Шекмар

Тираж 470 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная,4