Расчет способа искусственного замораживания водоносных пород при проходке ствола

Расчет способа искусственного замораживания водоносных пород при проходке ствола

РАСЧЕТ СПОСОБА ИСКУССТВЕННОГО ЗАМОРАЖИВАНИЯ ВОДОНОСНЫХ ПОРОД ПРИ ПРОХОДКЕ СТВОЛА

Условие:

Клетевой ствол диаметром в свету Dсв=5,5м и толщиной крепи dкр=0,5м необходимо пройти по следующим породам:

наносы (ɣ1= 1,6 m/м3) мощностью h1= 10м и содержанием воды m1= 8%;

суглинки (ɣ2= 2,1 m/м3) мощностью h2= 15м и содержанием воды m2= 10%;

песчаник (ɣ3=2,2 m/м3) мощностью h3=5м и содержанием воды m3= 15%;

глина (ɣ4=2,0 m/м3) мощностью h4= 10м и содержанием воды m4= 5%;

плывун (ɣ5=1,6 m/м3) мощностью h5= 25м и содержанием воды m5= 45%;

водоупор (ɣ6=2,4 m/м3) мощностью h6=20м и содержанием воды m6= 0%;

Данный участок ствола в водонасыщенных породах предполагается пройти с применением способа искусственного замораживания горных пород.

Необходимо определить:

толщину ледопородного ограждения;

производительность замораживающей станции;

продолжительность замораживания.

ледопородный скважина замораживание порода

Решение

Этап А. Определение геометрических параметров ледопородного ограждения

1. Определяем глубину замораживающих скважин  по формуле:

где: h_i - мощность i-го водоносного горизонта, м;

n - количество водоносных горизонтов;

(6…10) - величина заглубления в водоупор, м.

Тогда:

. Допускаемое отклонение скважин от вертикали  находим по формуле:

. Определяем величину максимальной нагрузки на ледопородное ограждение  по формуле:

где: P_г - величина горного давления, Мпа;гст - величина гидростатического давления, Мпа.

Горное давление определяем по формуле Цимбаревича:

где: ɣi - плотность (объёмный вес) пород i-го слоя геологического разреза, кг/м³;

h_i - мощность i-го водоносного горизонта, м;

n - количество водоносных горизонтов;

A_n - коэффициент бокового распора слоя n.

P_г определяется для каждого водоносного пласта, и из всех значений выбирается максимальное. Из условия примера очевидно, что максимальное значение P_г будет наблюдаться в почве плывуна, для которого

Тогда:

ɣв=1 т/м3 - объёмный вес воды;

H_в - высота водяного столба, м.

Если между горизонтами нет гидравлической связи, то есть подземные воды не напорные (а это в условии специально не оговорено), то  (плывуна), как наиболее мощного горизонта.

. Толщину ледопородного ограждения  определяем следующим образом:

при суммарной мощности водоносных горизонтов до или = 80м

применяется формула Ляме-Гадолина:

где:вч - радиус ствола вчерне, м;

где:

R_св,D_св - соответственно радиус и диаметр ствола в свету, м;

d_кр - толщина крепи, м;

 - допускаемое напряжение на сжатие замороженных пород;

n=2…3 - коэффициент запаса прочности;

σ_сж =12,5Мпа - средний предел прочности на сжатие замороженных пород;

Тогда:

. Диаметр расположения замораживающих скважин  определяем по формуле:

где:

 - диаметр ствола вчерне.

Для нашего примера

. Определяем необходимое количество скважин  по формуле:

N_раб - количество рабочих скважин;

N_рез - количество резервных скважин;

N_контр - количество контрольных скважин.

где:

l= 1,2…1,3м - расстояние между двумя соседними скважинами.

Зависит от многих факторов, принимается по опыту замораживания.

 (минимальное количество).

Тогда:

 скважины;

(округлять в большую сторону);

. Фактическая толщина ледопородного ограждения будет больше E за счёт намерзания породы не только в замковых, но и в главных плоскостях ограждения  Она определяется внутренним  и наружным  радиусами промерзания пород вокруг каждой замораживающей колонки.

Подставляя численные значения, получаем:

. Определяем фактические внутренний и наружный диаметры ледо-

породного ограждения вокруг ствола по формулам:

Этап Б. Теплотехнический расчет производительности замораживающей станции и времени замораживания

. Определяем объём ледопородного ограждения, то есть объём всей

породы, подлежащей замораживанию,  по формуле:

Где:

V_i - объём породы по каждому водоносному горизонту отдельно, м³.

где:

F - площадь кольца сечения ледопородного ограждения, м².

Тогда отдельно по горизонтам объёмы замораживаемых пород будут равны:

Итого:

. Определяем объём замораживаемой воды  по формуле:

где:

V_i^в - объём воды в i-ом водоносном горизонте, м³.

Где:

m_i - доля содержания воды в породе i-го водоносного горизонта (в условии дана в %, подставляем в долях единицы).

Определяем объём замороженной воды в каждом из горизонтов, а затем просуммируем значения:

Итого:

3. Объём твёрдых частиц породы  определяем по формуле:

. Замораживание будет происходить только при выполнении следующего неравенства:

где:

Q_з - количество тепла, которое нужно отвести от замораживаемого массива для перевода его от естественной температуры до средней температуры замораживания;

Q_к - теплопоглощающая способность замораживающих колонок;

Q_ox - внешний теплоприток;

T - время активного замораживания.

Для дальнейших расчётов необходимо вычислить все члены этого неравенства.

. Q_з определяется, исходя из выражения:

где:

 - удельное количество тепла (которое нужно отвести от 1м³ породы), ккал.

Для облегчения расчётов и приближенных вычислений с небольшой погрешностью принимаем следующий порядок определения Q_з:

где:

Q₁ - количество тепла, которое нужно отвести от содержащейся в породе воды для её охлаждения от естественной температуры до температуры замерзания;

Q₂ - количество тепла, которое нужно отвести для перевода воды в лёд при одной и той же температуре (замерзания);

Q₃ - количество тепла, которое нужно отвести ото льда для его охлаждения от температуры замерзания до средней температуры замораживания;

Q₄ - количество тепла, которое нужно отвести от «скелета» породы при его охлаждении от естественной температуры до средней температуры замораживания.

Все вышепоименованные величины Q определяем по следующим формулам:

 ,ккал

, ккал

где:

 - объём льда;

γ_в, γ_л, γ_п - удельный вес соответственно воды, льда и породы (средне-взвешенный), кг/м³;

γ_в =1000 кг/м³ (для химически чистой воды); γ_л =916 кг/м³;

С_в, С_л, С_п - удельная теплоёмкость соответственно воды, льда и породы. В среднем они равны С_в=1 , С_л=0,5 , С_п=0,2 ккал/кг·град.;

r = 80 ккал/кг - скрытая теплота льдообразования;

t_ес, t_o, t_ср - соответственно температура породы и воды в естественном состоянии, температура замерзания воды и средняя температура замораживания.

Принимаем t_ес=+10⁰С, t_o=0⁰C, t_ср=-10⁰С.

Тогда:

Просуммировав все значения Q, получим:

. Теплопоглощающую способность замораживающих колонок определяем по формуле:

где:

q_f = 200…250 ккал/м³·час - удельное теплопоглощение на 1 м² по-

верхности замораживающих колонок;

F_k - общая площадь наружной поверхности замораживающих колонок, м².

где:

d_k = 0,146м - стандартный диаметр труб ТЗК (трубы замораживающих

колонок);

L_k = L_скв - длина замораживающих колонок.

Тогда:

 ккал/час.

. Производительность замораживающей станции определяем на основании Q_к с учётом 20% потерь в рассольной сети, то есть:

 ккал/час.

 ккал/час.

. Определяем внешний теплоприток, который постоянно нужно отводить при замораживании:

ккал/час

где:

q_ox = 4…11 ккал/м²·час - удельное количество тепла, притекающее к 1м² поверхности ледопородного ограждения как снаружи, так и изнутри со стороны не замороженного породного массива;  зависит от естественной температуры пород и глубины. Принимаем

S_ох - поверхность ледопородного ограждения, соприкасающуюся с не замороженным массивом, определяем по формуле:

Тогда:

ккал/час.

. Используя неравенство (Б-4), определяем время активного замораживания по формуле:

. Время пассивного замораживания определяем, исходя из нормативной скорости проходки ствола по замороженным породам (V_H = 25 м/мес):

где:

H - длина участка ствола, проходимого по замороженным породам.

Так как в нашем случае  то:

Ответ. E = 0,88 метра.

Q_ст = 18·10⁴ ккал/час.

T = 43 суток.

T_пасс = 2,8 месяца.