книги / Технология строительства подземных сооружений. Специальные способы строительства

Для строительства подземных емкостей в СНГ наиболее широко применяют схему ступенчатого противотока сверху вниз и комбинированную схему.

При двухскважинном варианте создание емкостей произво­ дят как при независимом выщелачивании (рис. 7.4,а), так и при совместном взаимодействии (рис. 7.4,6), когда одну сква­ жину используют в качестве водоподающей, а другую — рассо­ лоподъемной. В последнем случае каждая скважина имеет одну рабочую колонну труб. Сбойку между скважинами при двух­ скважинном варианте осуществляют посредством гидроврубов или специальными методами бурения скважин.

Схему выщелачивания емкостей выбирают путем сравнения различных вариантов с учетом следующих факторов: техниче­ ской возможности применения схемы в конкретных горно-гео­ логических условиях; планируемого срока строительства; фор­ мы и объема емкости; допустимых размеров емкости по усло­ вию прочности; условий доставки нерастворителя на строитель­ ную площадку и др.

В первый период выщелачивания по любой схеме в нижней части емкости создают гидровруб для сбора оседающих нерас­ творимых включений и обеспечения фронта дальнейшего выще­ лачивания емкости. Высота гидровруба зависит от мощности пласта каменной соли, количества нерастворимых включений и находится в пределах от 1 до 25 м.

Перед началом выщелачивания по любой схеме межтрубное пространство обсадной и внешней рабочих колонн заполняют нерастворителем. Создание емкости начинается, как правило, с подачи воды в центральную рабочую колонну (прямоточная схема) После создания гидровруба скважину переключают на проектный режим работы согласно выбранной схеме.

Для предотвращения закупорки центральной рабочей колон­ ны труб нерастворимыми включениями перед каждой вынуж­ денной остановкой работы в течение 30 мин скважину включа­ ют в работу по прямоточной схеме.

Циркуляционным методом емкости создают весьма медлен­ но— годами. Это связано с тем, что переход соли из массива в рассол протекает крайне медленно, по диффузионной кине­ тике, так как при циркуляционном методе жидкость в камере почти неподвижна. Препятствием быстрому растворению соли является пограничный слой концентрированного рассола, по­ крывающего поверхность сухой соли. Как показывают исследо­ вания, толщина пограничного слоя достигает примерно 70— 100 мкм. Поэтому можно считать, что пограничный слой стека­ ет по поверхности емкости только под действием собственного веса. Жидкость, находящаяся вблизи от поверхности, по кото­ рой стекает пограничный слой, имеет достаточно высокую кон­ центрацию, и, .следовательно, процесс погружения пограничного

Рис. 7.4. Двухскважинный вариант создания емкости (сплошной линией показано направление движения воды, пунктирной — направление движе­ ния рассола)

Рис. 7.5. Схема водоструйного размыва подземной емкости

слоя замедлен из-за небольшой разности плотностей. Кроме того, пограничный слой закрывает подход растворителя к по­ верхности емкости. Сам растворитель, попадая в камеру, за­ полненную рассолом, быстро перемешивается с ним и перехо­ дит в рассол с высокой концентрацией.

Исследованиями установлено, что растворение соли в под­ земных камерах происходит в 1,5—2 раза быстрее, если на нее воздействуют волны звукового диапазона. Это свойство исполь­ зуют для интенсификации процесса растворения. Звуковые воллы создают с помощью роторного гидродинамического излуча­ теля, опущенного в скважину. Значительно более интенсивно, по сравнению с циркуляционным методом, процесс размыва

протекает при создании подземных емкостей водоструйным ме­ тодом (рис. 7.5), который основан на использовании гидроди­ намических свойств водяных струй. При применении этого ме­ тода повышается надежность, управления формированием емко­ сти. При водоструйном методе в скважину опускают колонну рабочих труб: внешнюю 2 — водоподающую; внутреннюю 1 — рассолоподъемную. Воду подают через серию насадок 3, рас: положенных на внешней рабочей колонне в скважине в преде­ лах интервала глубины заложения емкости 4. Насадки распо­ лагают, как правило, на расстоянии 0,5—1,5 м. Вначале водя­ ная струя воздействует на соль компактно, а затем -г- раздроб­ ленно. Колонне придают медленное вращательное движение, благодаря которому каждая струя воды равномерно растворяет соль по всей окружности камеры.

Струи воды, выбрасываемые насадками, описывают парабо­ лические траектории. В простейшем случае для размыва емко­ сти оси насадок располагают горизонтально (вверху получают размыв в виде свода). При этом струи воды из нижних насадок размывают емкость сильнее, что придает емкости форму пара­ болоида, наиболее полно отвечающего требованиям устойчиво­ сти. Угол наклона осей насадок можно менять. В частности, для уменьшения размыва свода камеры верхние насадки на­ клоняют вниз, а нижние при этом для увеличения траектории разлета воды могут быть подняты вверх. Образующийся рассол стекает в нижнюю часть емкости, откуда выдается на поверх­ ность по колонне 1. Количество рассола примерно соответствует объему воды, подаваемой на размыв. На поверхность земли рассол может выдаваться гидроэлеватором, эрлифтом, погруж­ ным электронасосом 5 или вытесняться сжатым воздухом. Как показывает опыт строительства емкостей, водоструйный метод обеспечивает получение рассола более высокой концентрации при небольших объемах камер и при ограниченной поверхности растворения. В аналогичных условиях при циркуляционном вы­

10—30 м создание емкости через вертикальную скважину не оправдано, так как получается камера небольшого объема при дорогой скважине. В этих условиях создают емкости галерей­ ного типа (рис. 7.6). При строительстве галерейной емкости I бурят наклонную скважину 2 с выходом на горизонталь по возможности в нижней части пласта 3. Затем скважину обса­ живают трубой 4, внутрь которой вводят эксплуатационную ко­ лонну труб 5 меньшего диаметра. В процессе выщелачивания по этой колонне в скважину подают воду, а по межтрубному

trV Т

пространству отбирают рассол. Размыв емкости в этом случае осуществляют по двум схемам.

По первой схеме соль выщелачивают захватками, причем воду подают в конец захватки. Первоначально в процессе рас­ творения соли образуется рассол слабой концентрации, кото­ рый донасыщается при движении вдоль скважины, при этом равномерно размывает пласт во все стороны от скважины. За­ тем постепеннонарастает тенденция развития камеры вверх, и в результате камера получает конечную форму. После размыва первой захватки эксплуатационную трубу поднимают из сква­ жины на заданную величину, укорачивают горизонтальный уча­ сток, и начинают размыв следующей захватки 6 и т. д.

По второй схеме производят размыв одновременно на всю длину галерейной емкости. Горизонтальная часть эксплуатаци­ онной трубы имеет через определенные интервалы отверстия для подачи воды в скважину. Объем и напор подаваемой воды регулируют размером отверстий.

Создание емкости в тонком пласте сопряжено с определен­ ными трудностями. Породы, вмещающие пласт соли, могут быть пористыми, и камера, созданная в таких условиях, даже при частично обнаженных потолочине и почве пласта может оказаться негерметичной. Поэтому емкость надо расположить так, чтобы между ней и вмещающими породами оставались целикй соли мощностью 2—3 м. Ниже необнаженной части сква­ жины, как показали исследования, соль не растворяется, в свя­ зи с чем создание нижнего целика соли обусловливается толь­ ко точностью проходки необсаженной части скважины на стро­ го определенном расстоянии от почвы пласта.

Определяющими факторами при выборе способа строитель­ ства являются: проектная вместимость камеры, планируемый срок строительства, мощность и глубина залегания пласта, прочность и анизотропия каменной соли, степень загрязнения и наличие пропластков.

При строительстве и эксплуатации подземных, емкостей не­ обходимо определять их объем и форму. Объем ёмкости опре­ деляется по количеству закачиваемой воды, отбираемому рас­ солу и его концентрации. Для этого во время размыва емкости

непрерывно измеряют количество подаваемой в скважину воды и извлекаемого из нее рассола, а также через определенные интервалы (обычно через 1 ч) определяют плотность рассола. Широкое применение получил прямой обмер подземных емко­ стей, который осуществляют методом ультразвуковой локации с помощью гидролокатора.

Для надежной долговременной работы подземных хранилищ нефтепродуктов и газов в отложениях каменной соли большое значение имеет прочность вмещающих пород.

В условиях большого горного давления наивыгоднейшими формами емкостей с точки зрения прочности являются шаровая и сферическая. Опыт мировой практики строительства подзем­

Подземные емкости являются более безопасными по срав­ нению с наземными хранилищами н поэтому их можно распо­ лагать в непосредственной близости от потребителя СУГ (на: пример, непосредственно под промышленным предприятием).

Практика показывает, что расходы на строительство и экс­ плуатацию подземных хранилищ значительно меньше, чем для равновеликих наземных.

7.3. СТРОИТЕЛЬСТВО ПОДЗЕМНЫХ ЕМКОСТЕЙ Ç ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КАМУФЛЕТНЫХ ВЗРЫВОВ

Механизация сельского хозяйства на базе использования машин с двигателями внутреннего сгорания, а также благоуст­ ройство сельских населенных пунктов потребовали размещения складов небольших объемов дизельного и другого топлива, сжиженных углеводородных газов, максимально приближенных к потребителям. Кроме того, для захоронения вредных отходов металлургического и другого производства оказывается наибо­ лее целесообразным в определенных породах создание подзем­ ных емкостей небольших размеров. Строительство таких емко­ стей осуществляют с использованием камуфлетных взрывов.

Подземные емкости, образованные взрывом камуфлетного заряда ВВ, используют в качестве хранилищ нефтепродуктов на автозаправочных станциях и глубинных нефтебазах, храни­ лищ для сжиженных углеводородов. Подземные хранилища

а

à/ щ \

Рис. 7.7. Схема создания подземной емкости с использованием взрыва

имеют ряд преимуществ перед наземными резервуарами: они требуют меньших капиталовложений, характеризуются меньши­ ми эксплуатационными расходами и металлоемкостью; земель­ ные участки, отводимые под строительство подземных храни­ лищ! как правило, меньше, чем для равноценных по вместимо­ сти парков, укомплектованных металлическими" резервуарами. Кроме того, они пожаро- и взрывобезопасны.

Сущность способа заключается в следующем. В устойчивых пластичных порсщах с поверхности земли до требуемой глуби­ ны бурят скважину 1 диаметром 250—300 мм (рис. 7.7, а). Для изоляции скважины от вышележащих водоносных горизонтов ее крепят металлическими трубами 2 с последующей цемента­ цией затрубного пространства 3. Затем скважину меньшим диа­ метром (150—200 мм) углубляют до отметки заложения ВВ. В скважину 4 опускают прострелочный заряд взрывчатого ве­ щества 5, заполняют ее гидрозабойкой и взрывают. В образо­ вавшуюся сферическую полость 6 (рис. 7.7,6) закладывают основной заряд ВВ 7 и производят основной взрыв, в результа­

Емкость может быть создана также по аналогичной техно­ логии через шурф с диаметром закрепленной части 1,25—1,3 м, незакрепленной — 0,8 м. В этом случае прострелочных. взрывов не осуществляют, а основной заряд ВВ размещают в незакреп­ ленной части шурфа. Строительство емкостей через шурф осу-

Экспериментами, проведенными во ВНИИПромгазе, уста­ новлено, что в интервале глубин до 30 м и объемах емкости до 200 м3 в различных глинах и суглинках значения показателя простреливаемости составляют 0,2—0,35 м3/кг.

Величина заряда Q проверяется по фактору камуфлетиости

Q ^ Q KSM’

где QKaM—kHn — предельная величина заряда ВВ камуфлетного действия; k и п — эмпирические коэффициенты, зависящие от физико-механических свойств породы и типа ВВ. По данным ВНИИПромгаза, на основании экспериментальных исследова­ ний для скифских глин и моренного суглинка Л; = 0,04, п = 2,8-ь 4-2,9.

При создании подземной емкости через скважины диамет­ ром 250—300 мм требуется предварительное образование на за­ бое скважины зарядной полости для размещения в ней основ­ ного заряда ВВ. Для этого в скважине предварительно взры­ вают возрастающие по величине заряды ВВ. Число таких взры­ вов и величина заряда зависят от требуемого объема зарядной полостй для размещения в ней основного заряда ВВ. Общая масса прострелочного заряда (кг) для образования зарядной полости

Qnp= Q.I(^прД)>

где А — плотность заряжания, кг/м3.

Заряд ВВ размещают в незакрепленной части скважины

взрывание ВВ и при необходимости возведение постоянной кре­ пи внутри емкости.

Глубина скважины (шурфа) определяется условиями про­ изводства в нем камуфлетного взрыва заряда ВВ. При огра­ ниченной мощности глинистых пород глубина скважины (шур­ фа)

Я = ш/2+Ян,

где т — мощность глинистых пород, м; Hlt— мощность наносов, покрывающих глинистые породы, м.

Скважины бурят диаметром 300—400 мм с помо^цыо само­ ходных станков УРБ-ЗАМ, АВБ-400 с последующей обсадкой их металлическими трубами диаметром 250—300 'MIM и цемента­ цией затрубного пространства. По затвердении цементного рас­

твора -с&важину добуривают до проектной глубины диаметром 150—200 мм. Скважина считается подготовленной к взрывным работам, если она очищена от бурового шлама, имеет проект­ ные глубину и диаметр, в нее не поступает вода.

Шурф проходят G использованием передвижного оборудо­ вания типа станка КШК (копатели шахтных колодцев). Кон­ струкция бурового агрегата позволяет крепить стенки шурфа как после окончания бурения, так и в процессе его проходки. Шурфы крепят с помощью стальных труб или железобетонных колец диаметром в свету не менее 1м. Затрубное пространство

Сначала в шурф или скважину засыпают половину величины заряда, затем опускают боевик, после чего загружают остав­ шуюся часть заряда ВВ. В основном ведение взрывных работ при строительстве, подземных полостей достаточно полно регла­ ментируется Едиными правилами безопасности при взрывных работах. По окончании заряжания в скважине (шурфе) мон­ тируют электровзрывную сеть, размещают гидрозабойку, после чего производят взрыв заряда ВВ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Вялов С. С., Зарецкий Ю. К., Городецкий С. Э. Расчеты на проч­ ность и ползучесть при искусственном замораживании грунтов. Л., Строй­ издат, 1981.

2.Голицинский Д. М„ Фролов Ю. С., Кулагин Н. И . Строительство тон­

нелей и метрополитенов. Под ред. Д. М. Голицинского. М., Транспорт, 1989. 3. Гузеев А. Г., Гудзь А. Г., Пономаренко А. К . Технология строитель­

ства горных предприятий. Киев — Донецк, Вища школа, 1986.

4.Дорман Я. А. Специальные способы работ при строительстве метро­ политенов. М., Транспорт, 1981.

5.Жиленко Н. П„ Краснощек А. А. Справочное пособие по реактивнотурбинному бурению. М., Недра, 1987.

6.Качан В. Г., Купчинский И. А. Бурение шахтных стволов и скважин.

М., Недра, 1984.

7.Комплексный метод тампонажа при строительстве шахт/Э. Я. Кипко,

Ю.А. Полозов, О. Ю. Лушникова и др. М., Недра, 1984.

8.Лехтимяки, Э. В. Инженерно-геологические условия кессонной проход­ ки тоннелей в Ленинграде. Л., Стройиздат, 1982.

ства горных предприятий. Специальные способы строительства. М., Недра, 1990.

12. Насонов И. Д ., Шуплик М. //., Ресин В. И. Исследование парамет­ ров замораживания, при проведении горизонтальных выработок, М., Недра,

14.Ржаницын Б. А . Химическое закрепление грунтов в строительстве. М.г Стройиздат, 1986.

15.Смородинов М, Я. Водопонизительные установки. М., Стройиздат,

1984.

16.Смородинов М. PL, Федоров Б. С. Устройство сооружений и фун­

даментов способом «стена в грунте». М., Стройиздат, 1988.

17.Справочник по осушению горных пород/Под ред. И. К. Станченко. М., Недра, 1984.

18.Строительство подземных сооружений: Справочное пособие. Под ред. М. Н. Шуплика/Шуплик М. Н„ Месхидзе Я. М., Королев И. О. и др. М., Недра, 1990 — 384 с.

19.Тампонаж обводненных горных пород: Справочное пособие/Э. Я. Кип­ ко, Ю. А. Полозов, О. Ю. Лушникова и др. М., Недра, 1989.

20.Тоннели и метрополитены. Под ред. В. Г. Храпова/Храпов В. Г., Демешко Е. А., Наумов С. Н. и др. М., Транспорт, 1989.

21.Трупак Я. Г. Замораживание пород при сооружении вертикальных

шахтных стволов. М„ Недра, 1983.

22. Федюкин В. А., Шилин А. А . Зарубежный опыт бурения стволов и скважин большого диаметра. Обзорная информация. ЦНИЭИуголь, ЦБНТИ Минуглепрома УССР. М., 1986.