Способ замораживания горных пород при возведении подземного сооружения и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к горному делу и подземному строительству с применением замораживания пород в сложных гидрогеологических условиях. Предложение охватывает группу изобретений, а именно способ замораживания горных пород при возведении подземного сооружения и устройство для осуществления этого способа. Способ включает бурение опережающих и замораживающих скважин с установкой в них охлаждающих труб с замораживающими колонками, нагнетание тампонирующего материала через замораживающие скважины для создания перекрытия фронтальной части, подачу хладагента и формирование ледопородного ограждения с последующей проходкой и созданием очередной горной выработки. Между опережающей и замораживающими скважинами бурят термометрические скважины с установкой в них обсадных термометрических труб для термодатчиков. Замораживание породы ведут до образования сплошного ледопородного массива на глубину очередной выработки. Расход воздуха регулируют пропусканием его через запорно-распределительную аппаратуру. В зоне фронтальной части ледопородного массива может быть образована полость путем подачи напорных струй горячей воды через верхние и удаления талой породы через нижние охлаждающие трубы. Устройство для замораживания горных пород содержит центральную охлаждающую трубу, размещаемую в опережающей скважине, периферийные охлаждающие трубы, размещаемые в замораживающих скважинах и равномерно расположенные по окружности на расстоянии от оси центральной трубы, близком радиусу буровой камеры, и под углом к этой оси с образованием раструба в сторону забоя, замораживающие колонки, соосно установленные в охлаждающих трубах, источники сжатого воздуха и хладагента. Источник хладагента в виде турбохолодильного агрегата имеет запорно-распределительную аппаратуру. К входу турбины агрегата подключен источник сжатого воздуха, а выход низкотемпературного воздуха турбины соединен с замораживающими колонками охлаждающих труб при помощи гибких шлангов через запорно-распределительную аппаратуру. Замораживающие колонки установлены в охлаждающих трубах с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль их осей. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к горному делу и подземному строительству с применением замораживания пород в сложных гидрогеологических условиях.

Предложение охватывает группу изобретений, объединенных общим изобретательским замыслом, а именно способ замораживания горных пород при возведении подземного сооружения и устройство для осуществления этого способа.

Известен способ замораживания горной породы, основанный на бурении замораживающих скважин с частичной заменой породы в зоне замораживаемого пространства заполнителем в виде материала с повышенной теплопроводностью путем образования полостей посредством направленного взрыва и гидроразрыва в образованных полостях [1].

Недостатком этого способа является невозможность возведения подземного сооружения в условиях больших гидростатических напоров подземных вод и прослоек плывунных отложений из-за опасности прорыва подземных вод в подземное сооружение при проходке в указанных условиях.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому объекту изобретения, принятым в качестве прототипа, является способ замораживания пород при возведении подземного сооружения, включающий бурение опережающих и замораживающих скважин с установкой в них охлаждающих труб с замораживающими колонками, нагнетание тампонирующего материала через замораживающие скважины для создания перекрытия фронтальной части, подачу хладагента и формирование ледопородного ограждения с последующей проходкой и созданием очередной горной выработки [2].

Известный способ предусматривает создание ледопородного перекрытия в виде оболочки, охватывающей пространство намеченной очередной горной выработки, и осуществление поэтапного гидроразрыва в процессе бурения замораживающих скважин в зонах между забоями, что может привести к повреждению ледопородного перекрытия в условиях большой протяженности зон плывунных отложений и возможности прорыва подземных вод при проходке очередной горной выработки. Последнее обстоятельство обуславливает недостаточную безопасность работ при возведении подземного сооружения.

Из источника [2] известно также устройство для осуществления способа замораживания горных пород при возведении подземного сооружения (прототип), содержащее центральную охлаждающую трубу, размещаемую в опережающей скважине, периферийные охлаждающие трубы, размещаемые в замораживающих скважинах и равномерно расположенные по окружности на расстоянии от оси центральной трубы, близком радиусу буровой камеры, и под углом к этой оси с образованием раструба в сторону забоя, замораживающие колонки, соосно установленные в охлаждающих трубах, источники сжатого воздуха и хладагента.

Такая конструкция устройства и обусловливает описанные выше и присущие способу замораживания горных пород недостатки.

Целью изобретения (ожидаемым техническим результатом) является создание таких способа замораживания горных пород и устройства для его осуществления, которые обеспечивали бы более высокую безопасность при возведении подземного сооружения в условиях большой протяженности зон плывунных отложений.

Поставленная цель достигается тем, что в заявляемом способе замораживания горных пород при возведении подземного сооружения, включающем бурение опережающих и замораживающих скважин с установкой в них охлаждающих труб с замораживающими колонками, нагнетание тампонирующего материала через замораживающие скважины для создания перекрытия фронтальной части, подачу хладагента и формирование ледопородного ограждения с последующей проходкой и созданием очередной горной выработки, согласно изобретению в пространстве между опережающей и замораживающими скважинами бурят термометрические скважины с установкой в них обсадных термометрических труб для размещения в них термодатчиков, а замораживание горной породы ведут до образования сплошного ледопородного массива на проектную глубину очередной горной выработки, после чего создают перекрытие фронтальной части ледопородного массива, причем перед проходкой и созданием очередной горной выработки производят повторное замораживание горной породы путем подачи в замораживающие колонки хладагента в виде низкотемпературного воздуха, который отбирают с выхода турбины турбохолодильного агрегата, при этом расход воздуха регулируют путем пропускания его через запорно-распределительную аппаратуру, а процесс замораживания горной породы регулируют путем возвратно-поступательного перемещения замораживающих колонок вдоль осей охлаждающих труб и контролируют по показаниям термодатчиков термометрических труб. При этом в зоне фронтальной части ледопородного массива образуют полость путем подачи напорных струй горячей воды через верхние охлаждающие трубы и удаления талой породы в виде гидросмеси через нижние охлаждающие трубы, а перекрытие фронтальной части осуществляют путем заполнения образовавшейся полости тампонирующим материалом, подачу которого производят через нижние охлаждающие трубы.

Для достижения того же технического результата заявляется устройство для замораживания горных пород при возведении подземного сооружения, содержащее центральную охлаждающую трубу, размещаемую в опережающей скважине, периферийные охлаждающие трубы, размещаемые в замораживающих скважинах и равномерно расположенные по окружности на расстоянии от оси центральной трубы, близком радиусу буровой камеры, и под углом к этой оси с образованием раструба в сторону забоя, замораживающие колонки, соосно установленные в охлаждающих трубах, источники сжатого воздуха и хладагента, которое согласно изобретению снабжено в качестве источника хладагента турбохолодильным агрегатом, имеющим запорно-распределительную аппаратуру, и обсадными термометрическими трубами для размещения в них термодатчиков, причем эти трубы равномерно расположены по окружности между центральной и периферийными охлаждающими трубами, при этом к входу турбины турбохолодильного агрегата подключен источник предварительно подготовленного сжатого воздуха, а выход низкотемпературного воздуха турбины соединен с замораживающими колонками охлаждающих труб при помощи гибких шлангов через запорно-распределительную аппаратуру, причем замораживающие колонки установлены в охлаждающих трубах с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль их осей.

В результате анализа технической и патентной информации в данной области техники не было обнаружено технических решений, которые обладали бы признаками, отличающими заявляемые технические решения от прототипа [2]. Следовательно, заявляемые объекты отвечают критерию патентоспособности "Новизна".

Заявляемые объекты изобретения для специалиста явным образом не следует из известного уровня техники, следовательно, они отвечают критерию патентоспособности "Изобретательский уровень".

Изобретение является промышленно применимым, что подтверждается нижеследующим описанием изобретения и опробированием его с положительными результатами в лабораторных условиях. Изобретение может быть использовано в промышленности, в частности в горном деле при возведении подземных сооружений.

На фиг. 1 изображено устройство для осуществления предлагаемого способа, в рабочем состоянии, продольный разрез; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - новая горная выработка с новой буровой камерой, продольный разрез.

Предлагаемый способ включает бурение опережающих (одну или более) скважин 1 и замораживающих скважин 2, нагнетание тампонирующего (вяжущего) материала 3 для создания перекрытия фронтальной части, подачу хладагента и формирование ледопородного ограждения с последующей проходкой и созданием очередной горной выработки. В пространстве между опережающей 1 и замораживающими 2 скважинами бурят термометрические скважины 4 и замораживание горной породы ведут до образования сплошного ледопородного массива 5 на проектную глубину очередной горной выработки. Затем создают перекрытие фронтальной части ледопородного массива 5. Перед проходкой и созданием очередной горной выработки производят повторное замораживание горной породы путем подачи через опережающую и замораживающие скважины хладагента в виде низкотемпературного воздуха, который отбирают с выхода турбины турбохолодильного агрегата. При этом расход воздуха регулируют путем пропускания его через запорно-распределительную аппаратуру, а процесс замораживания горной породы регулируют путем возвратно-поступательного перемещения замораживающих колонок вдоль осей охлаждающих труб и контролируют по показаниям термодатчиков термометрических скважин 4. После образования ледопородного массива 5 в зоне его фронтальной части образуют полость путем подачи напорных струй горячей воды через верхние замораживающие скважины 2 и удаления талой породы в виде гидросмеси через нижние замораживающие скважины, а перекрытие фронтальной части осуществляют путем заполнения образовавшейся полости тампонирующим (вяжущим) материалом 3, подачу которого производят через нижние замораживающие скважины 2.

Устройство для осуществления предлагаемого способа содержит по крайней мере одну центральную охлаждающую трубу 6, размещаемую в опережающей скважине 1, периферийные охлаждающие трубы 7, размещаемые в замораживающих скважинах 2 и равномерно расположенные по окружности на расстоянии от оси центральной трубы 6, близком радиусу буровой камеры 8, и под углом к этой оси с образованием раструба в сторону забоя. Устройство содержит также замораживающие колонки 9, соосно установленные в охлаждающих трубах 6 и 7, источники сжатого воздуха (условно показано стрелкой) 10 и хладагента, в качестве которого применен турбохолодильный агрегат 11, имеющий запорно-распределительную аппаратуру 12. Кроме того, устройство снабжено обсадными термометрическими трубами 13 для размещения в них термодатчиков (не показаны), и эти трубы равномерно расположены в термометрических скважинах 4 по окружности между центральной 6 и периферийными 7 охлаждающими трубами. При этом к входу турбины турбохолодильного агрегата 11 подключен источник 10 предварительно подготовленного сжатого воздуха, а выход низкотемпературного воздуха турбины соединен с замораживающими колонками 9 охлаждающих труб 6 и 7 при помощи гибких шлангов 14 через запорно-распределительную аппаратуру 12. Замораживающие колонки 9 установлены в охлаждающих трубах 6 и 7 с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль их осей.

Предлагаемый способ с помощью описанного выше устройства осуществляют следующим образом.

Из буровой камеры 8 ранее пройденной горной выработки 15, размещенной в относительно крепких породах 16 в зоне возведения ледопородного массива 5 и содержащей крепление 17, бурят опережающие скважины 1 с установкой в них охлаждающих (обсадных) труб 6, а затем по периметру буровой камеры 8 бурят замораживающие скважины 2 и термометрические скважины 4 с установкой в них соответственно охлаждающих труб 7 и обсадных термометрических труб 13.

Затем в охлаждающие трубы 6 и 7 устанавливают замораживающие колонки 9, через которые производят подачу низкотемпературного воздуха от турбохолодильного агрегата 11 через запорно-распределительную аппаратуру 12 и систему гибких шлангов 14. Турбохолодильный агрегат 11 работает от сжатого воздуха соответствующих пыле-влаготемпературных параметров, подаваемого от источника 10. При этом расход воздуха регулируют при помощи запорно-распределительной аппаратуры 12, процесс замораживания породы регулируют изменением подачи холодного воздуха в охлаждающие трубы 6 и 7 путем возвратно-поступательного перемещения замораживающих колонок 9 вдоль осей этих труб, а температуру в зоне замораживания породы контролируют по показаниям термодатчиков (не показано), установленных в обсадных трубах 13 термометрических скважин 4.

После образования ледопородного массива 5 через замораживающие колонки 9 и верхние надсводовые охлаждающие трубы 7 на забой скважин 2 подают напорные струи горячей воды, удаляют талую породу в виде гидросмеси с использованием нижних охлаждающих труб 6 и 7 и таким образом создают на забое скважин 1 и 2 полость, в которую затем подают тампонирующий (вяжущий) материал 3 через нижние охлаждающие трубы 7. При этом нагнетание тампонирующего материала 3 и чистку охлаждающих труб 7 производят с применением известных приемов, например, методом разделительных плавающих пробок с манжетами (не показаны).

После заполнения и затвердения в образованной полости тампонирующего материала 3 с получением перекрытия фронтальной части ледопородного массива 5 производят термометрические измерения в охлаждающих трубах 6 и 7, а также в обсадных трубах 13 термометрических скважин 4. При необходимости, что имеет место в большинстве случаев, процесс замораживания породы через охлаждающие трубы 6 и 7 повторяют и при достижении требуемой температуры ледопородного массива 5 производят проходку новой горной выработки.

В процессе проходки новой горной выработки 18 с буровой камерой 19 охлаждающие 6 и обсадные 13 трубы извлекают из скважин 1 и 4, а сами скважины закрывают. При проходке и оснастке новой заходки горной выработки с буровой камерой 19 охлаждающие трубы 7, находящиеся за внешней стороной ледопородного ограждения в массиве 5, извлекают из грунта, а скважины 2 закрывают.

После возведения новой горной выработки 18 с буровой камерой 19 приступают к последующей проходке и процесс замораживания горной породы повторяется в той же последовательности.

Использование в заявляемом техническом решении турбохолодильного агрегата с запорно-распределительной аппаратурой, позволяющего применить в качестве хладагента низкотемпературный воздух с выхода турбины, обеспечивает создание ледопородного ограждения в виде сплошного массива на проектную глубину очередной горной выработки, что способствует повышению безопасности труда при возведении подземного сооружения в условиях больших гидростатических напоров подземных вод и большой протяженности зон плывунных отложений.

Введение в устройство термометрических труб с термодатчиками и установка замораживающих колонок в охлаждающих трубах с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль осей этих труб позволяют активно регулировать и контролировать замораживание горных пород в процессе создания ледопородного массива перед проходкой очередной горной выработки.

Предварительные лабораторно-исследовательские испытания заявляемого устройства показали его высокую эффективность и подтвердили возможность широкого использования в промышленности, в частности горном деле при проходке горных выработок для возведения подземных сооружений.

Формула изобретения

1. Способ замораживания горных пород при возведении подземного сооружения, включающий бурение опережающих и замораживающих скважин с установкой в них охлаждающих труб с замораживающими колонками, нагнетание тампонирующего материала через замораживающие скважины для создания перекрытия фронтальной части, подачу хладоагента и формирование ледопородного ограждения с последующей проходкой и созданием очередной горной выработки, отличающийся тем, что в пространстве между опережающей и замораживающими скважинами бурят термометрические скважины с установкой в них обсадных термометрических труб для размещения в них термодатчиков, а замораживание горной породы ведут до образования сплошного ледопородного массива на проектную глубину очередной горной выработки, после чего создают перекрытие фронтальной части ледопородного массива, причем перед проходкой и созданием очередной горной выработки производят повторное замораживание горной породы путем подачи в замораживающие колонки хладоагента в виде низкотемпературного воздуха, который отбирают с выхода турбины турбохолодильного агрегата, при этом расход воздуха регулируют путем пропускания его через запорно-распределительную аппаратуру, а процесс замораживания горной породы регулируют путем возвратно-поступательного перемещения замораживающих колонок вдоль осей охлаждающих труб и контролируют по показаниям термодатчиков термометрических труб.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в зоне фронтальной части ледопородного массива образуют полость путем подачи напорных струй горячей воды через верхние охлаждающие трубы и удаления талой породы в виде гидросмеси через нижние охлаждающие трубы, а перекрытие фронтальной части осуществляют путем заполнения образовавшейся полости тампонирующим материалом, подачу которого производят через нижние охлаждающие трубы.

3. Устройство для замораживания горных пород при возведении подземного сооружения, содержащее центральную охлаждающую трубу, размещаемую в опережающей скважине, периферийные охлаждающие трубы, размещаемые в замораживающих скважинах и равномерно расположенные по окружности на расстоянии от оси центральной трубы, близком радиусу буровой камеры, и под углом к этой оси с образование раструба в сторону забоя, замораживающие колонки, соосно установленные в охлаждающих трубах, источники сжатого воздуха и хладоагента, отличающееся тем, что оно снабжено в качестве источника хладоагента турбохолодильным агрегатом, имеющим запорно-распределительную аппаратуру, и обсадными термометрическими трубами для размещения в них термодатчиков, причем эти трубы равномерно расположены по окружности между центральной и периферийными охлаждающими трубами, при этом к входу турбины турбохолодильного агрегата подключен источник предварительно подготовленного сжатого воздуха, а выход низкотемпературного воздуха турбины соединен с замораживающими колонками охлаждающих труб при помощи гибких шлангов через запорно-распределительную аппаратуру, причем замораживающие колонки установлены в охлаждающих трубах с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль их осей.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3