Специальные способы проходки стволов в сложных условиях Замораживание пород

Путем создания вокруг будущего ствола шахты низких температур можно образовать ледопородный полый цилиндр, внутри кото­рого возможна проходка ствола обычным способом.

Для этого вокруг ствола бурят скважины, в которые опускают два става, входящих один в другой, труб. По внутренним трубам в скважину поступает охлаждающий рас­твор, поэтому их называют питающими. По кольцевому пространству между питающими и наружными трубами раствор поднимается по скважине, отнимая тепло от окружающих пород. Поэтому наруж­ные трубы называют замораживающими.

Диаметр (внутренний) питающих труб обычно принимают равным 25—50 мм, а замораживающих — 100—114 мм.

При длительном нагнетании в замораживающие колонки охлаждающих растворов вокруг них постепенно образуются цилиндры замороженных пород, которые через некоторое время смыкаются, образуя вокруг ствола сплошной ледопородный полый цилиндр.

При замораживании пород в качестве охлаждающего раствора (рассола) чаще всего применяют водные растворы хлористого кальция с удельным весом 1,23—1,25 г/см³, температура замерзания которого равна —28—35° С.

Также для нагнетания используются хладагенты (аммиак, углекислота и другие). На практике наибольшее применение получил аммиак, при котором холодильная установка получается более простой.

Рис. 147. Схема замора­живающей установки:

1 — испаритель; 2 — насосы; 3 — прямой рассолопровод; 4 — коллектор; 5 — заморажива­ющие колонки; 6 — распределитель; 7 — обратный рассоло­провод; 8 — двухступенчатый компрессор; 9 — конденсатор; 10 — ледопородный цилиндр

Проходка ствола способом замораживания включает бурение замораживающих скважин; монтаж замораживающих колонок; замораживание пород; проходку и крепление ствола под защитой ледо­породного цилиндра; оттаивание пород; ликвидацию заморажива­ющих скважин.

Глубина, до которой замораживают породы, зависит от глубины залегания водоносных пород и ствола, физико-механических свойств горных пород и других факторов. Замораживающие скважины должны быть обязательно заглублены в водоупорные породы. Величина этого заглубления зависит от свойств водоупорного пласта, его мощ­ности, прочности и наличия под ним водоносных пород с напорными водами и колеблется от 2 до 10 м.

В случае отсутствия водоупорных пород на глубине, до которой проходят ствол, в его основании создают подушку из замороженных пород с помощью замораживающих скважин, пробуриваемых в контуре сечения ствола.

В процессе замораживания пород различают два периода: образование ледопородного цилиндра и поддержание его в замороженном состоянии.

Первый называют активным, а второй — пассивным замораживанием.

Продолжительность активного замораживания пород определяют временем, необходимым для создания ледопородного цилиндра заданной толщины, а пассивного — временем, необходимым на проходку и крепление ствола. Окончание замораживания пород, соответствующее замыканию ледопородного цилиндра и понижению температуры пород до заданной, устанавливают расчетом количе­ства отданного породам холода и по контрольным скважинам.

Ствол в замороженных породах проходят так же, как и при обычном способе. Порода внутри ледопородного цилиндра обычно находится в талом состоянии, но может быть частично или полностью замороженной. Для выемки пород обычно применяют пневматические отбойные молотки. Выемку породы буровзрывным способом применяют в крепких замороженных породах. При этом необходимо соблю­дать меры предосторожности, чтобы взрывом не вызвать нарушения стенок полого ледопородного цилиндра. По правилам безопасности шпуры следует располагать на расстоянии не менее 300 мм от стенки ствола в проходке.

Крепление при проходке стволов с замораживанием пород производят бетоном, железобетонными и металлическими тюбингами. Наибольшее применение получила бетонная и металлическая (тюбинговая) крепь. При приготовлении бетона вводятся различные химические добавки (хлористый натрий, поташ и др.), дающие возможность бетону приобрести необходимую прочность и водонепроницаемость в условиях отрицательных температур.

Оттаивание пород производится после окончания проходки и крепления ствола искусственным или естественным способом. В первом случае температура рассола повышается на 1—2° в сутки и доводится постепенно до +20 —25°. Естественное оттаивание замо­роженных пород не рекомендуется применять в весьма слабых породах и при движущемся потоке подземных вод, так как при этом может произойти неравномерное оттаивание ледопородного цилиндра, вследствие чего крепь ствола будет испытывать неравномерное давление.

После оттаивания пород демонтируют замораживающую станцию и извлекают замораживающие трубы, а скважины заполняют тампонажным раствором.

Средняя скорость при проходке стволов с замораживанием пород составляет 30—35 м/месяц. Наибольшие скорости достигнуты на шахтах № 1 «Западно-Щекинская» — 70 м за 22 дня и № 8 «Дорого­бужская» — 81 м/месяц.

Искусственное замораживание пород можно применять для проходки стволов как в слабых, так и в крепких породах при любой глубине их залегания.

Проходка стволов с тампонированием пород

При пересечении стволом пористых и трещиноватых водоносных пород обычно наблюдаются большие притоки воды в забой, что сильно затрудняет, а иногда делает невозможным проходку выработки обычным способом. В таких случаях трещины и поры через скважины заполняют цементным или глинистым раствором или разогретым битумом.

Такой способ ограждения выработки от поступления в нее воды носит общее название тампонирования, а в зависимости от нагнетаемого в скважины вещества различают цементацию, глинизацию и битумизацию.

Тампонирование, производящееся до проходки ствола, носит название предварительного, а при применении его для уплотнения крепи (или породы за крепью) уже пройденной и закрепленной выработки — последующего.

Бурение скважин и нагнетание тампонажного раствора может производиться с поверхности земли или из забоя ствола. Целесооб­разность того или иного способа зависит от глубины залегания водоносного горизонта и определяется на основе технико-экономи­ческого сравнения.

Нагнетание тампонажного цементного раствора в скважины можно производить циркуляционным, или зажимным способом. В первом случае раствор нагнетается под постоянным давлением, несколько превышающим гидростатический напор подземных вод. Избыток раствора, не поглощенный породами, возвращается обратно в раствор­ный бак. Для осуществления этого необходимо оборудование сква­жины двойным ставом труб. Диаметр ее при этом должен быть зна­чительным — 100—200 мм. Циркуляционный способ чаще применяют при тампонировании с поверхности земли. При зажимном способе весь раствор поглощается породой, что вызывает необходимость посте­пенно увеличивать давление нагнетания. Нагнетание глинистого раствора и разогретого битума производится зажимным способом.

Наибольшее распространение из всех способов тампонирования получила цементация горных пород. В последнее время предваритель­ную цементацию, как правило, применяют при ожидаемых притоках воды в ствол более 8 м³/ч (СНиП Ш-Б.9-69).