7.2. Общие принципы расчёта процесса ЗАМОРАЖИВАНИЯ

7.2. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ РАСЧЁТА ПРОЦЕССА ЗАМОРАЖИВАНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД.
1 ЧАС
ПЛАН.
1. Общие принципы расчёта процесса замораживания. Определение
нагрузок на лёдопородные ограждения.
2. Расчёт толщины лёдопородных ограждений.
3. Расчёт мощности замораживающей станции и времени её работы.
1. Общие принципы расчёта процесса замораживания. Определение
нагрузок на лёдопородные ограждения.
Расчёт процесса замораживания в конечном итоге сводится к определению
мощности замораживающей станции и времени активного замораживания для
создания лёдопородного ограждения необходимой мощности с определёнными
теплофизическими, прочностными и деформационными характеристиками. Для
выполнения расчётов необходимо знать следующие основные данные:
1) геологический разрез с характеристикой залегания пород;
2) минералогический и гранулометрический состав пород;
3) объёмный вес, пористость, влажность, угол внутреннего трения пород;
4) предел прочности пород на одноосное сжатие в естественном и замороженном состоянии;
5) коэффициенты теплопроводности и теплоёмкости пород в естественном и замороженном состоянии, распределение температуры пород по глубине;
6) коэффициенты фильтрации пород, гидравлические уклоны, направление и скорости движения подземных вод, статические напоры по каждому
водоносному горизонту и характеристика гидравлической связи между горизонтами;
7) степень и состав минерализации подземных вод, температуры замерзания естественных минеральных растворов;
8) источник водоснабжения, дебит и температура воды, используемой для
замораживающей станции.
Зная инженерно-геологические условия залегания пород и их характеристики, выполняются необходимые расчёты и назначается режим замораживания,
который характеризуется определёнными значениями температур хладоносителя и внешней поверхности замораживающих колонок, определённым расходом хладоносителя в колонках и другими параметрами.
ГЛУБИНА ЗАМОРАЖИВАНИЯ пород принимается в зависимости от
гидрогеологических условий их залегания. Если подземное сооружение возводится в неустойчивых водоносных породах, то вне зависимости от ожидаемых
притоков воды в ствол породы замораживают на всю мощность неустойчивых
пород с заглублением в подстилающие водоупорные породы на 6-10 м для
обеспечения промерзания контакта пород и предотвращения поступления воды в
выработку через донную часть лёдопородного ограждения. При недостаточной
мощности водоупора предусматривают создание лёдопородного днища.
При сооружении подземных горных выработок в водоносных устойчивых
породах глубину замораживания, если принят данный специальный способ,
принимают до горизонта, ниже которого приток воды в выработку ожидается не
более 8 м3/час.
ТРЕБОВАНИЯ к созданному вокруг горной выработки при замораживании горных пород лёдопородному ограждению таковы, что оно должно одновременно выполнять функции временной крепи и водонепроницаемой
завесы, то есть быть способным воспринять горное и гидростатическое давление. Таким образом, полная нагрузка на лёдопородное ограждение может быть
представлена как:
Р m a x = P г + Р г с т , МПа
(7.2.1)
Максимальные напряжения в лёдопородном ограждении возникают в тот
момент, когда в его пределах вынута порода.
Также при определении толщины лёдопородного ограждения (ЛПО) руководствуются формой, размерами горной выработки и технологией выполнения горнопроходческих работ.
2. Расчёт толщины лёдопородных ограждений.
Одним из основных параметров, определяющим экономическую целесообразность применения способа замораживания, является толщина ледопородных ограждений Завышение или занижение толщины ЛПО ведет в одном
случае к значительному увеличению объёма замороженных горных пород
(следовательно, возрастает продолжительность замораживания, расход электроэнергии и стоимость работ). В другом – к разрушению ледопородного
ограждения и прорыву подземных вод (в этом случае также происходит значительное увеличение стоимости и срока строительства подземного сооружения в
связи с ликвидацией аварийной ситуации).
Все последующие технологические расчёты процесса замораживания будут основаны на рассчитанной на первом этапе толщине ЛПО – Е.
Расчёт толщины ЛПО - весьма сложная с инженерной точки зрения задача.
Сложность состоит в том, что ЛПО не подчиняется закономерностям упругого
тела, а обладает ярко выраженными реологическими свойствами, которые зависят
от типа горной породы, температуры замораживания, времени обнажения стен
ограждения и т.д. Кроме того, ЛПО по своей толщине имеет различные прочностные и упругие характеристики, закономерность изменения которых подчиняется закономерностям изменения температурного поля в ЛПО. В свою
очередь, изменение температурного поля определяется толщиной ЛПО. Таким
образом, учитывая инженерный характер и большой разброс значений исходных
параметров, определение толщины ЛПО осуществляют приближёнными методами.
I. Метод Ляме-Гадолина для определения толщины кольцевого ЛПО.
По этому методу лёдопородное ограждение рассматривается как жёсткоупругий толстостенный цилиндр правильной формы и бесконечно большой длины с одинаковыми по всему сечению свойствами, сжатый равномерно
распределённой внешней нагрузкой. По условию прочности максимальное
напряжение на внутренней поверхности цилиндра не должно превышать допускаемого напряжения на сжатие замороженных пород.
Этот метод расчета толщины ЛПО даёт удовлетворительные результаты
при замораживании пород на глубину, не превышающую 50-80 м (песчанистые
породы) или 40-50 м (глинистые породы).
С увеличением глубины и ростом давления толщина ЛПО может принимать нулевое или даже отрицательное значение, и расчет в этом случае теряет
всякий физический смысл.
II. Метод Домке для определения толщины кольцевого ЛПО.
Более полно характер работы ЛПО учитывается в расчётной формуле
Домке, в которой ЛПО рассматривается как упругопластический толстостенный цилиндр правильной формы и бесконечно большой длины, сжатый
равномерно распределённой внешней нагрузкой и вертикальным давлением от
веса цилиндра. По условию прочности замороженные породы на внешней поверхности цилиндра не должны переходить в пластическое состояние, наступающее в случае, когда разность наибольшего и наименьшего главных нормальных напряжений становится равной пределу прочности замороженных
пород на сжатие. Для получения запаса прочности в формулу введён предел
длительной прочности σД (при действии нагрузки свыше 10-15 часов).
Как показывают
расчёты, этот подход
рекомендуется
для
определения толщины
ЛПО при замораживании горных пород на
глубину 100-150 м.
При дальнейшем увеличении глубины метод
расчета
даёт
большие погрешности.
В этом случае применяют другие методы
расчёта.
Рис.7.2.1. Расчётная схема к определению диаметра и
Зная
толщину
числа замораживающих скважин.
ЛПО, можно определить диаметр расположения замораживающих скважин и их число (рис. 7.2.1.).
Dскв = Dвч + 1,2Е + 2а, м
(7.2.2)
где Dскв - диаметр расположения замораживающих скважин;
а - допустимое отклонение замораживающей скважины от вертикали, м.
(7.2.3)
(7.2.4)
где H - глубина залегания от поверхности почвы водоносного горизонта, м.
Необходимое количество скважин (Nобщ) определяется по формуле:
(7.2.5)
где Nраб - количество рабочих скважин; Nрез - количество резервных скважин; Nконтр
- количество контрольных скважин.
Nраб = πDскв / l, шт.
(7.2.6)
где l= 1,1... 1,5 м - расстояние между двумя соседними скважинами. Зависит от
многих факторов, принимается по опыту замораживания. Резерв (запас)
скважин при возникновении необходимости их перебуривания или переключения Nрез принимается 0,15 Nраб, скв.
Число контрольных скважин минимально может быть Nконтр = 4 скв.
3.Расчёт мощности замораживающей станции и времени её работы.
Для определения мощности замораживающей станции используется так
называемый балансовых метод, согласно которому теплопоглощающая способность замораживающих колонок Qк в период активного замораживания
должна быть равна или больше количества тепла, которое необходимо отвести
от породы при её замораживании Q3 и количества тепла, которое нужно в это же
время отвести для нейтрализации внешнего теплопритока от незамороженных
пород Qox, т.е.
Qк ≥ Q3 + Qox.
(7.2.7)
Q3 = q з V, ккал
(7.2.8)
3
где V - объём породы, подлежащей замораживанию, м ; qз - количество холода,
необходимое для охлаждения и замораживания 1м3 породы от естественной до
заданной температуры замораживания, ккал/м3.
Хладoпроизводительность замораживающей станции Qст определяется с
учётом 10-20% потерь холода в рассольной сети, т.е.
Qст = (1, 1...1, 2) Qк, ккал/час.
(7.2.9)
Термин "количество холода" с физической точки зрения неверен. Следует употреблять термин "количество отведенного тепла". Тем не менее, здесь и
далее термин "количество холода" потребляется для упрощения и облегчения
подачи материала
Продолжительность работы замораживающей станции (Т) в активный
период замораживания можно определить из выражения:
Qк T = (Q3 + Qox )T
(7.2.10)
Время пассивного замораживания определяется, исходя из нормативной
скорости проходки ствола по замороженным породам (Vн = 30 м / мес.):
Тпасс = Н / Vн, мес.
(7.2.11)
где Н – длина участка ствола, проходимого по замороженным породам. Почти
всегда Н = Lскв.
В заключение необходимо отметить, что все расчеты по толщине ЛПО и
прочим показателям способа замораживания ведутся либо раздельно по каждой
замораживаемой заходке (если принята многоступенчатая схема), либо для самых неблагоприятных условий (где толщина ЛПО ожидается наименьшей).
По данным практики для охлаждения и замораживания 1 м 3 горных пород
до температуры -10 град. Требуется отвести 30….50 тыс. ккал тепла.