Способ замораживания горных пород при проходке выработок Советский патент 1986 года по МПК E21D1/12 

f12

Изобретение относится к шахтному строительству с применением искусственного замораживания горных пород.

Цель изобретения - повышение надежности работы замораживающей колон- ки в слабых горных породах за счет обеспечения работоспособности - при локальных разрывах обсадных труб.

На фиг.1-8 показаны фазы осуществления способа.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

После бурения скважины 1 (фиг.1) ее закрепляют обсадной колонной 2 (фиг.2) и оснащают замораживающей ко- лонкой, состоящей из .питающей 3 и отводящей 4 труб (фиг.З). В пространство 5 (фиг.4) между обсадной колонной 2 и отводящей трубой 4 вводят через патрубок 6 охлаждающий рассол 7, например раствор хлористого, кальпкя, до уровня 8, а сверх него через пат-рубок 6 вводят в пространство 5 буферный, уменьшающийся в объеме при замерзании, агент 9 в жидкой фазе с плотностью меньщей, чем плотность охлаждающего рассола 7 (фиг.5). В качестве такого буферного агента 9 может быть применен, например, антифриз Tacon-40 j замерзающий при темпера- туре 40°С, авиационное масло ., .замерзающее при температуре -20-30 С и т.п. производные нефтепро.дуктов. Подавая в колонку охлаждающий рассол 10 (фиг.З), например раствор хлористого кальция, совпадающий по температуре, концентрации с охлаждающим р ас- солом 7 или отличный от него, обеспечивают его циркуляцию по подающей 3 .и отводящей 4 трубам, создавая ледо- породное огражд.ение 1 1, одновременно переводя буферный агент 9 путем зам.о- раживания из жидкого состояния в твердое при температуре охлаждающего рассола 10,. например -40°С.

В дальнейшем при проходке выработки. 12 (фиг.6) возможно образование разрыва 13 в обсадной трубе 2, через который часть охлаждающего рассола 7 в виде жидкости вытекает в ледопород- ное ограждение 11, образуя талую зону

14.Уровень 8 охлаждающего рассола самопроизвольно опускается до уровня

15,совпадающего с нижней кромкой разрыва 13 в трубе 2. Между уровнями

8 и 15 создается безвоздушное прос- транство 16.

Для устранения разрыва 13 трубы 2 в питающую трубу 3 подают охлаждающий

-

9

5 Q . s ,Q .

5

5

0

72

рассол 10 с повышенной температурой, например, , при которой буферный агент 9 переходит в жидкое состояние и самопроизвольно за счет атмосферного давлерп-ш и силы тяжести опускается до уровня 15, частично вытекая в талую зону 14(фиг.7)5 заполняя ее. Над уровнем 17 агента 9 образуется воздушная прослойка 18,

Понижая т 5мпературу охлаждающего рассола 10 от, например, -30 до -4 О с 5 .переводят буферный агент 9 из жидкого состояния в твердое за счет его замерзания (фиг,8).. Таким образом устраняется локальный разрыв в трубе 2, Буферный агент, попавший в ледопородное ограждение 11, также. переходит при .,нии из ;кидкого состояния 3 твердое npvr его замерзании, причем этот процесс фазового перехода не ссз.пает дополнительных напряжений морозного пучения на крепь ствола и на обсадную трубу 2,, так как буферный агент 9 при замерзании уменьшается в объеме.

При повторных разрывах обсадной грубы 2 описанная технология ликвидации разрывов (ремонта колонок) повторяется Е: соответствии с вышеописанной последовательностью.

Предлагаем 1й способ замораживания может быть применен также при отсутствии разрывов замораживающих колонок 3 качестве специального способа зо- нахгьногО замораживания. Для этого по мере проходки выработки 12 в ледо- породном ограяодении 11 (фиг.6) уровень 15 охлаждающего рассола 7 следует поних ать путем, например, подачи сжатого воздуха в пространство 16 (под слой твердого буферного агента 9) с отжатием охланодающего рассола 7 по дополнительной трубке вверх (или же в.низ в замораживающую колонку) в отводящую трубу 4 через клапан в отводя- ш;ей трубе, открывающийся только при возрастании давления сверх заданного предела в охлаждающем рассоле. 7 (дополнительная трубка и клапан на чертеже не по1-еазаны).

Контроль уровня 15 охлалсдающего рассола 7 можно осуществлять, например, специальным поплавковым уровнемером, снабженным радиоактивным изотопом; тензодатчиком, наклеенным на дно обсадной трубы, позволяющим по давлению жидкости определить ее высоту; мерным тросом с грузом, с помо- щ-ью ультразвука и т,п.

312

Пример. Для создания ледопо- родного ограждения шахтного ствола глубиной 600 м бурят скважины диаметром 15 см с шагом 120 см, концентрич- но вокруг ствола. Скважины 1 закрепляют обсадными колоннами 2 (фиг. и 2) диаметром 15,0«0,-6 см и оснащают замораживающей колонной состоящей из стальных питающей 3 (фиг.З) диаметром ,5 см и отводящей 4 диаметром 13jO,6 см труб. В пространство 5 (фиг.4) между колоннами 2 и 4 вводят через патрубок 6 охлаждающий рассол

7в.виде, например, раствора хлористого кальция, до уровня 8, а сверх него, через патрубок 6 вводят в пространство 5 антифриз Тасол-40 9, находящийся в жидкой фазе (при температуре +10°С) (фиг.5). Подавая в колонку через трубу 3 раствор х,пористого кальция при температуре обеспечивают его циркуляцию по трубам 3 и 4 создавая ледопородное ограждение 11, одновременно переводя антифриз 9 путем замораживания из жидкого состоя- ния в твердое.

В дальнейшем при проходке выработки 12 (фиг.6) буровзрывным способом в слабых пучинистых глинистых породах возможно образование разрыва 13 в трубе 2, через который часть охлакода- ющего рассола 7 вытекает в ледопородное ограждение 11, образуя талую зону 14 диаметром 50 см вблизи колонки. Уровень 8 охлаждающего рассола 7 са мо.произвольно опускается на 150 м до уровня 15, совпадающего с нижней кромкой разрыва 13 в трубе 2. Между уровнями В и 15 создается безвоздушное теплоизолированное пространство 16 толшщиной 0,4 см и .высотой 150 м.

8таком режиме спецколонки зонального замораживания в дальнейшем можно частично продолжать проходческие работы в стволе.

Для устранения разрыва 13 (ремонта) трубы 2 в трубу 3 подают охлаждающий рассол 10 с температурой -30°С, при которг й антифриз Тасол-40 переходит в жидкое состояние и самопро

Q

, 5

°

0

74

изволыю опускается до уровня 15,

частично вытекая в тгглую зону 14 (фиг.7), заполняя ее. Над уровнем 17 антифриза образуется воздушная прослойка 18.

Понижая температуру охлаждающего рассола от -30°до , антифриз 9 переходит из жидкого состояния в твердое за счет его замерзания (фиг.8). Таким образом тампонируется локальный разрыв в трубе 2. Антифриз, попавший частично в ледопородное ограждение 11, также переходит в дальнейшем при охлаждении в твердое состояние при его замерзании.

Контроль уровня 15 рассола 7 осуществляют мерным тросом с грузом в период, когда антифриз 9 находится в шщком состоянии (плотность мерного груза должна быть равна 1,3 г/см, т.е. совпадать с плотностью рассола7),

Термическое сопротивление дополнительного слоя 7 толщиной 0,4 см незначительно. Его можно уподобить дополнительному слою песчаной породы толщиной 0,4-0,8 см.

Использование предлагаемого способа, замораживания горных пород при проходке выработок позволяет рассматривать аварийный разрыв обсадных труб как элемент самонастройки системы, замораживания, так как вытеканием части рассола 7 из пространства между обсадной трубой и колонкой автоматически отключаются от дальнейшего замораживания горные породы ледопородного ограждения, находящиеся над местом разрыва. Это уменьшает опасность дополнительных разрывов обсадных.труб в пройденной и закрепленной части ствола, например, от напряжений морозного пучения при пассивном замораживании. В месте вытекания рассола 7 напряжения морозного пучения также уменьшаются, так как рассол оттаивает часть примыкающих мерзлых пород, однако ввиду ограниченного заданного объема этого рассола (5-8 л) в целом для сохранности ледопородного ограждения он опас- ности не представляет.

ф11г.

Редактор Н.Данкулич

Составитель Л Черепенкина

Техред Н.Бонкало Корректор Е.Рошко

Заказ 3675/31 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

фиг.4

/// // Фиг.5