Технология строительства стволов в сложных горно-геологических условиях.

3. Специальная часть.

Технология строительства стволов в сложных горно-геологических условиях.

Искусственное замораживание пород.

Условие:

Скиповой ствол диаметром в свету Dсв=5,5м и толщиной крепи dкр=0,25м необходимо пройти по следующим свитам:

наносы илгинская свита (известняки, доломиты) (ɣ1= 1,6 m/м3) мощностью h1= 164 (0-164) м и содержанием воды m1= 4%;

верхоленская свита (мергели) (ɣ2= 2,1 m/м3) мощностью h2=186 (164-350)м и содержанием воды m2= 5%;

метегерская свита (доломиты, известняки)(ɣ3=2,2 m/м3) мощностью h3=99 (350-449)м и содержанием воды m3= 15%;

ичерская свита (известняки, доломиты) (ɣ4=2,2 m/м3) мощностью h4=80 (449-529)м и содержанием воды m4= 15%;

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.

Решение

Этап А. Определение геометрических параметров ледопородного ограждения

1. Определяем глубину замораживающих скважин по формуле:

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

n - количество водоносных горизонтов;

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

Тогда:

Lскв=164+186+99+80=529м+15м=544м

Глубина скважин должна быть на 5-20м больше проектной отметки замораживания пород.

2. Допускаемое отклонение скважин от вертикали находим по формуле:

ɑ=0,5+0,002∙544=1,588 м

3. Определяем величину максимальной нагрузки на ледопородное ограждение по формуле:

где: Pг - величина горного давления, Мпа; Ргст - величина гидростатического давления, Мпа.

Горное давление определяем по формуле Цимбаревича:

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

hi- мощность i-го водоносного горизонта, м;

n - количество водоносных горизонтов;

An- коэффициент бокового распора слоя n.

Pг определяется для каждого водоносного пласта, и из всех значений выбирается максимальное. Из условия примера очевидно, что максимальное значение Pг будет наблюдаться в почве метегеро-ичерской свиты, для которого

Тогда:

Pr=0,599∙1,6∙164+2,1∙186+2,2∙99+2,2∙80=627тм2=0,627МПа

ɣв=1 т/м3 - объёмный вес воды;

hв - высота водяного столба, м.

hв=h3+h4 (метегеро-ичерская свита).

Ргст=1∙179=179тм2=1,79 МПа

Рmax=0,627+1,79=2,417 МПа

4. 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:

Rсв,Dсв - соответственно радиус и диаметр ствола в свету, м;

dкр - толщина крепи, м;

Rвч=5,52+0,25=3 м

- допускаемое напряжение на сжатие замороженных пород;

n=2…3 - коэффициент запаса прочности;

σсж =20МПа - средний предел прочности на сжатие замороженных пород;

Тогда:

[δсж]=20/2.5=8 МПа

Е= 3∙(88-2∙2,417-1)=1,7 м

5. Диаметр расположения замораживающих скважин определяем по формуле:

где:

- диаметр ствола вчерне.

Для нашего примера Dвч=5,5+2∙0,25=6 м

Dскв=6+1,2∙1,7+2∙1,588=11,216 м

6. Определяем необходимое количество скважин по формуле:

где:

Nраб - количество рабочих скважин;

Nрез - количество резервных скважин;

Nконтр - 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:

Nраб=3,14∙11,2161,25=28 скважины;

Nрез=0,15∙28=4 скважины

(округлять в большую сторону);

Nобщ=28+4+4=36 скважины.

(Для бурения скважин применяют буровой агрегат ЗИФ-650А).

7. 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:

rвн=1,22+1,5882+(0,6+1,7)²=3,17м

rн=1,22+1,5882+(0,4∙1,72)=2,29 м

8. Определяем фактические внутренний и наружный диаметры ледо-

породного ограждения вокруг ствола по формулам:

Dвн=11,216-2∙3,17=4,87 м

Dн=11,216+2∙2,29=15,79 м

Этап Б. Теплотехнический расчет производительности замораживающей станции и времени замораживания

1. Определяем объём ледопородного ограждения, то есть объём всей

породы, подлежащей замораживанию, по формуле:

Где:

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

где:

F - площадь кольца сечения ледопородного ограждения, м2.

F=3,144∙(15,792-4,87²)=177 м²

Тогда отдельно по горизонтам объёмы замораживаемых пород будут равны:

V1=F∙h1=177∙164=29 028 м³

V2=F∙h2=177∙186=32 922 м³

V3=F∙h3=177∙99=17 523 м³

V4=F∙h4=177∙80=14 160 м³

Итого: Vцил=93 633 м³

2. Определяем объём замораживаемой воды по формуле:

где:

Viв - объём воды в i-ом водоносном горизонте, м3.

Где:

mi - 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:

V1в=V1∙m1=29 028∙0,04=1 161 м³

V2в=V2∙m2=32 922∙0,05=1 646,1 м³

V3в=V3∙m3=17 523∙0,15=2 628,45 м³

V4в=V4∙m4=14 160∙0,15=2 124 м³

Итого: Vобщв=7 559,55 м³

3. Объём твёрдых частиц породы определяем по формуле:

Vпор=93 633-7 559,55=86 073,45 м³

4. Замораживание будет происходить только при выполнении следующего неравенства:

где:

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

Qк - теплопоглощающая способность замораживающих колонок;

Qox - внешний теплоприток;

T - время активного замораживания.

Для дальнейших расчётов необходимо вычислить все члены этого неравенства.

5. Qз определяется, исходя из выражения:

где:

q3 - удельное количество тепла (которое нужно отвести от 1м3 породы), ккал.

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

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;

Vл=1,09∙7 559,55=8 239,9 м³

γв, γл, γп - удельный вес соответственно воды, льда и породы (средне-взвешенный), кг/м3;

γв =1000 кг/м3 (для химически чистой воды);

γл =916 кг/м3;

γп=1,6∙164+2,1∙186+2,2∙99+2,2∙80164+186+99+80=1,97тм3=1970 кг/м³

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

r = 80 ккал/кг - скрытая теплота льдообразования;

tес, to, tср - соответственно температура породы и воды в естественном состоянии, температура замерзания воды и средняя температура замораживания.

Принимаем tес=+100С, to=00C, tср=-100С.

Тогда:

Q1=7 559,55∙1000∙1∙10-0=7 559,55∙104ккал

Q2=7 559,55∙1000∙80=60 476,4∙104ккал

Q3=8 239,9∙916∙0,5∙0-(-10)=3 773,87∙104ккал

Q4=86 073∙1970∙0,2∙10-(-10)=67 825,5∙104ккал

Просуммировав все значения Q, получим:

Q3=7 559,55+60 476,4+3 773,87+67 825,5∙104=139 635,344∙104ккал

6. Теплопоглощающую способность замораживающих колонок определяем по формуле:

где:

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

верхности замораживающих колонок;

Fk - общая площадь наружной поверхности замораживающих колонок, м2.

где:

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

колонок);

Lk = Lскв - длина замораживающих колонок.

Fк=3,14∙0,146∙544∙28=6 982,9 м²

Тогда:

Qк=200∙6 982,9=139,6∙104ккал/час.

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

ккал/час.

Qcт=1,2∙139,6∙104=167,5∙104ккал/час.

К установке принято холодильное оборудование ПХС-100. Хладагент - фреон 22.

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

ккал/час

где:

qox = 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 qох=11ккал/м2.

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

Sох=3,14∙15,79+4,87∙544+2∙177=35 644,58 м2

Тогда:

Qох=11∙35 644,58=39,2∙104ккал/час.

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

Т=139 635,344∙104(139,6-39,2)∙104∙24=58 суток

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

где:

H - длина участка ствола, проходимого по замороженным породам.

Так как в нашем случае Н =Lскв=544 м то:

Тпасс=54441= 14 месяца

Ответ. E = 1.7 метра.

Qст = 167.5·104 ккал/час.

T = 58 суток.

Tпасс = 14 месяца.

Технико-экономические показатели замораживания представлены в табл.3.1

Таблица 3.1 ТЭП при замораживании фреоном (хладон 22).

пп/п

Наименование показателей

Единица измерения

Значение показателей

1

Характеристика скипового ствола:

- сечение

- длина

м2

м

28,26

1028

2

Бурение:

- бурение скважин

м

4 352

3

Бурение замораживающих скважин

м

15 232

4

Количество замораживающего раствора

м3

254,8

6

Объем бетона для изоляционной крепи

м3

873,8

7

Расход основных материалов на 1 п.м.

трубы

прокат черных металов

цемент

т

т

т

33

2,0

274

8

Трудозатраты на строительство

чел.-час

38

9

Срок строительства

мес

14

1

Сметная стоимость строительства в ценах

тыс.руб.

16 941

Таблица 3.2 ТЭП при замораживании аммиаком (аммиак R717)

пп/п

Наименование показателей

Единица измерения

Значение показателей

1

Характеристика скипового ствола:

- сечение

- длина

м2

м

28,26

544

2

Бурение:

- бурение скважирн

м

4 352

3

Бурение замораживающих скважин

м

15 232

4

Количество замораживающего раствора

м3

254,8

6

Объем бетона для изоляционной крепи

м3

873,8

7

Расход основных материалов на 1 п.м.

трубы

прокат черных металов

цемент

т

т

т

33

2,0

274

8

Трудозатраты на строительство

чел.-час

38

9

Срок строительства

мес

14

1

Сметная стоимость строительства в ценах

тыс.руб.

16 559

Вывод

Главные преимущества аммиака обусловлены его термодинамическими и термофизическими характеристиками, благодаря чему холодильные установки имеют высокий коэффициент полезного действия. Помимо этого, аммиак не вступает в реакцию со многими материалами, применяемыми в холодильных установках (кроме меди и медных сплавов). Аммиак - это газ природного происхождения, он легче воздуха и его можно выпустить в атмосферу, не причинив вреда окружающей среде.

Аммиак не растворяется в смазке, нечувствителен к влаге, и его легко можно обнаружить при утечке. Дополнительными преимуществами аммиака являются его низкая цена, он дешевле фреона примерно на 30% и не способствует созданию парникового эффекта.

Недостатком аммиака является его высокая токсичность, взрывоопасность, имеет высокую температуру нагнетания при сжатии.

Преимуществами хладагента R22 являются:

нетоксичность и взрывобезопасность;

невысокая температура нагнетания при сжатии в компрессоре;

хорошие теплофизические и термодинамические свойства;

фреон не вступает в химическую реакцию с большинством конструкционных материалов;

Из недостатков фреона R22 следует отметить то, что он потенциально опасен для озонового слоя. При утечке фреона не бывает предупреждающего эффекта, так как этот газ не имеет ни цвета, ни запаха. Кроме того, при наличии открытого пламени или соприкосновении с горячей поверхностью фреон выделяет ядовитый фосген.

В Российской Федерации к 2020 г. все холодильное оборудование должно работать на озонобезопасных хладонах.

Таким образом, при сравнении фреона с аммиаком можно с уверенность заявить о том, что наиболее целесообразным является использование аммиак R717.

← Предыдущая
Страница 1
Следующая →

Искусственное замораживание пород.

У нас самая большая информационная база в рунете, поэтому Вы всегда можете найти походите запросы

Искать ещё по теме...

Похожие материалы:

Недобросовісна конкуренція

Напрями впливу на конкурента і методи недобросовісної конкуренції. Відповідальність за недобросовісну конкуренцію. Захист прав підприємств (підприємців).

Психология. ГОСы ответы

Вопросы к экзамену по старославянскому языку

Общее представление о старославянском языке как общеславянском литературном языке. Его хронология; идеологическое содержание

Формальная школа.

Неофициальное название группы русских литературоведов и лингвистов, объединившихся в конце 1910-х гг.в Петербурге и Москве на общих методологических основаниях В 20-е годы ХХ столетия возникает формальная школа литературоведения.

Основы построения цифровых систем передачи

Принцип временного разделения каналов. Кодирующие и декодирующие устройства. Построение оконечных станций первичных. Кодирующие и декодирующие устройства. Генераторное оборудование (ГО) ЦСП. Цикловая синхронизация. Регенерация цифрового сигнала. Плезиохронная цифровая иерархия ПЦИ

Сохранить?

Пропустить...

Введите код

Ok