Способ замораживания горных пород при проходке шахтного ствола по методу Топоркова А.В. Советский патент 1992 года по МПК E21D1/12 

Изобретение относится к подземному строительству на больших глубинах с применением искусственного замораживания горных пород.

Известен способ замораживания горных пород при проходке шахтного ствола, описанный в статье Съедина С.А. Геомеханические и физические процессы в горном массиве при проходке глубоких шахтных стволов специальными способами. // Управление геомеханическими процессами на горнодобывающих предприятиях. Минчер- мета СССР, Белгород, ВИОГЕМ, 1986, с. 126-130, включающий бурение замораживающих скважин, монтаж в скважинах питающей и отводящей труб замораживающих колонок, подачу хладноносителя в колонки, формирование ледопородного ограждения с поддержанием на контуре ствола при выемке породы температуры в пределах от и ДО(4).

Недостатком известного способа является то, что он не обеспечивает снижения нагрузок морозного пучения на крепь ствола, возникающих вследствие понижения температуры ледопородного ограждения в закрепленной части ствола.

Наиболее близким к заявляемому, принятым за прототип, является способ замора- живания горных пород при проходке выработок, включающий бурение скважины, закрепление ее обсадной колонной, оснащение последней замораживающей колонкой, обеспечение циркуляции охлаждающего рассола в замораживающей колонке и зональности замораживания, причем зональность замораживания достигается при разрыве обсадной колонны с вытеканием в ледопородное ограждение буферной жидкости 2.

Недостатком этого способа является то, что он обеспечивает снижение нагрузок морозного пучения на крепь ствола лишь на малых участках, в аварийных случаях с разрывом обсадной колонны, а зональность за- мораживания является величиной случайной и нерегулируемой.

СО

с

XI Х|

О

сл

XI

ю

Целью изобретения является снижение нагрузок на крепь ствола за счет исключения давления от морозного пучения пород.

Указанная цель достигается тем, что в способе замораживания горных пород при проходке шахтного ствола, включающем бурение скважин, закрепление их обсадными колоннами, оснащение их замораживающими колоннами, обеспечение циркуляции охлаждающего рассола в замораживающих колоннах и зональности замораживания, зональность замораживания обеспечивают путем подачи сжатого воздуха в полости между обсадными и замораживающими колоннами, образованными в виде гидроизолированных секторов в плане и по высоте, при этом секторы в плане обращены в сторону к вертикальной оси ствола.

Для обеспечения трехзонной зональности замораживания после отжатия охлаждающего рассола сжатым воздухом из гидроизолированных секторов, размещенных между обсадными и замораживающими колоннами, давление сжатого воздуха уменьшают,

На фиг. 1 показана в плане фаза подачи рассола в замораживающие колонны и формирования ледопородного ограждения; на фиг. 2 - разрез по А-А (фиг. 1); на фиг. 3 - фаза проходки ствола; на фиг. 4 - разрез по Б-Б на фиг. 3; на фиг. 5 - разрез по 3-В на фиг. 4; на фиг. 6 - узел на фиг. 5; на фиг. 7 - разрез по Д-Д на фиг. 6.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. В массиве обводненных песчано-глинистых пород 1(фиг. 1, 2) бурят кольцеобразно расположенные скважины 2, оборудуют их обсадной трубой 3, отводящей 4 и питающей 5 трубами замораживающей колонны. Подают охлаждающий рассол 6 в питающую 5 трубу замораживающей колонны, а также подают рассол 7 в межтрубное 8 пространство (между трубами 3 и 4) и формируют ледопородное ограждение 9. При выемке пород и креплении ствола 10 (фиг. 3, 4) на контуре ствола 10 поддерживают заданную температуру, например -3°С. Устанавливают крепь 11 на высоту hi (фиг. 4),

Для предотвращения дальнейшего понижения температуры ледопородного ограждения 9 в зоне крепи 11 на высоте hi, вокруг замораживающей колонны создают зону теплоизоляции, для чего в полости 8 между обсадными и замораживающими колоннами подают сжатый воздух 12 (фиг. 3.4, 5). Поскольку полости 8 в плане разделены радиальными перегородками 13 (с резиновыми уплотнителями)на два гидроизолированных сектора 14 и 15 (фиг. 6), причем

сектор 14 обращен в сторону к вертикальной оси ствола 10, а перегородки 13 не доходят до дна 16 (фиг. 7) обсадной колонны 3 на высоту hs, рассол (например, раствор

хлористого кальция) из сектора 14 отжимается на высоту ha, Высоту ha отжатой по вертикали зоны определяют по расходу отжатого рассола. За счет этого отжатия и создания зоны теплоизоляции интенсив0 ность замораживания в направлении от замораживающих колонн в сторону к оси ствола 10 в пройденной и закрепленной части ствола уменьшается, например, в 10 раз, что снижает напряжения морозного пуче5 ния в ледопородном ограждении 9, так как температура в закрепленной части ствола 10 не опускается вследствие этого ниже, например-3°С.

Синхронно со скоростью проходки

0 ствола корректируют высоты hi и ha отжатого рассола с тем, чтобы высота ha равнялась высоте пройденной части ствола 10. Высоту hi создают путем временного отжатия рассола в секторе 14 на высоту, большую ha, и

5 последующего снижения давления воздуха в секторе 14, за счет чего уровень 17 рассола 7 поднимается до ha, а уровень 18 рассола 7 опускается до hi. В результате получаем трехзонную замораживающую колонну:

0 - сверху до высоты hi - зона полного отключения ледопородного ограждения от воздействия охлаждающего рассола холодильной станции,

-на высоту () - зона частичного 5 отключения ледопородного ограждения от

холодильной станции,

-ниже ha - зона интенсивного (или пассивного) замораживания (фиг. 4).

При этом гидроизолирование сектора

0 14 от сектора 15 достигается как за счет резиновых прокладок 19, так и за счет воздействия сжатого воздуха сектора 14 на контакт перегородки 13 с трубой 3, т.е. воздух в секторе 14 используется одновременно для

5 отжатия рассола по вертикали и для гидроизоляции по горизонтали. Для удобства регулирования площадью (в плане) сектора 14 и 15 одну из ограниченных вертикальных перегородок 13 можно укреплять на наруж0 ной поверхности обратной трубы 4, а вторую - на внутренней поверхности обсадной трубы 3. Это позволяет путем поворота обратной трубы 4 уменьшать или увеличивать вышеуказанную площадь секторов и, следо5 вательно, регулировать интенсивностью замораживания ледопородного ограждения.

Следовательно, преимущество предлагаемого технического решения состоит в возможности малыми затратами средств исключить воздействие нагрузок морозного

пучения на крепь ствола, так как подача в колонны сжатого воздуха для отжатия рассола продолжается 10-15 минут, после чего подачу сжатого воздуха можно прекращать до очередной корректировки зональности замораживания. Кроме того, предлагаемое техническое решение позволяет осуществлять балансировку между двумя крайностями: с одной стороны, не прекращать полностью замораживающую вовнутрь ствола (от замораживающих колонн), так как при слабом сцеплении крепи с породой в крепи возникают опасные растягивающие напряжения, но, с другой стороны, не осуществлять интенсивного понижения температуры пород, ибо это развивает морозное пучение.

Формула изобретения 1. Способ замораживания горных пород при проходке шахтного ствола, включающий бурение скважин, закрепление их обсадными колоннами, оснащение их замораживающими колоннами, циркуляцию охлаждающего рассола в замораживающих колоннах и обеспечение зональности замораживания, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности замораживания путем снижения нагрузок на крепь ствола за счет исключения давления от морозного пучения пород, зональность замораживания обеспечивают путем подачи сжатого воздуха в полости между обсадными и замораживающими колоннами, образованными в виде гидроизолированных секторов в плане и по высоте, при этом

сектора в плане обращены в сторону к вертикальной оси ствола.

2. Способ по п. 1,отличающийся тем, что после отжатия охлаждающего рассола сжатым воздухом из гидроизолированных секторов, размещенных между обсадными и замораживающими колоннами, давление сжатого воздуха уменьшают.

Использование: при замораживании горных пород в сложных гидрогеологических условиях. Сущность способа: включает формирование вокруг шахтного ствола ле- допородного ограждения с помощью замо- раживающих колонок, состоящих из питающей, отводящей и обсадной труб, между обсадной и отводящей трубами выделяют в плане сектор, гидроизолированный от остальной части колонки, подачей в который сжатого воздуха разделяют колонку на 2-3 зоны по вертикали и на 2 зоны в плане, каждая зона уменьшает интенсивность замораживания в заданное число раз. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

Фиг. 2

фиг.

1770572

д-д

Фиг.7