Курсовая работа: Расчет способа искусственного замораживания

38

Содержание

проходка замораживание горный порода

Введение

1. Выбор способа и схемы замораживания горных пород

2. Определяем толщину ледопородного ограждения

2.1 Определение нагрузки на крепь

2.2 Расчет толщины ледопородного ограждения

2.3 Средняя температура замораживания

2.4 Расчет радиуса расположения скважин

2.5 Расчет количества замораживающих скважин

3. Определение мощности замораживающей станции и времени работы замораживающей станции

4. Выбор оборудования замораживающей станции

5. Контроль за процессом замораживания

6. Выбор технологии проходки ствола и подбор оборудования

6.1 Технология проходки

6.2 Проходка ствола

Список используемой литературы

Введение

В данном курсовом проекте мы рассчитываем способ искусственного замораживания. Его применяют при строительстве подземных сооружений в слабых, неустойчивых водоносных горных породах. Возможно также его применение и в устойчивых, но сильно трещиноватых породах с большой водообильностью.

Сущность способа заключается в том, что до начала горно-строительных работ по контуру подземного сооружения бурят скважины через 0,8 - 2 м и оборудуют их замораживающими колонками. Через замораживающие колонки с помощью насосов прокачивают хладоноситель, охлажденный до отрицательных температур (-20...- 40) °С.

В результате постоянной циркуляции хладоносителя в замораживающих колонках вода, находящаяся в горных породах, замерзает и вокруг каждой колонки постепенно образуются ледопородные цилиндры, которые в дальнейшем смыкаются в единое ледопородное ограждение. Замороженные породы резко изменяют свои первоначальные физико-механические свойства (прочность, сцепление и т.д.), что позволяет по достижении ледопородным ограждением проектных размеров приступить к горнопроходческим работам. Ледопородное ограждение в этом случае исполняет роль временной водонепроницаемой ограждающей крепи, обеспечивающей безопасные условия ведения горностроительных работ.

1. Выбор способа и схемы замораживания горных пород

Искусственное замораживание водоносных грунтов и плывунов как способ их временного укрепления применяется с целью создания водонепроницаемых грунтовых перемычек и несущих конструкций при строительстве подземных сооружений в сложных гидрогеологических условиях. Сущность способа заключается в том, что до начала горно-строительных работ по контуру подземного сооружения бурят систему скважин, оборудованных замораживающими колонками, через которые с помощью насосов прокачивают хладоноситель. В результате постоянной циркуляции хладоносителя в замораживающих колонках вода, находящаяся в горных породах, замерзает и вокруг каждой колонки постепенно образуются ледопородные цилиндры, которые в дальнейшем смыкаются и образуют ледопородное ограждение.

Ледопородное ограждение поддерживается в замороженном состоянии до тех пор, пока не будет закончено строительство горной выработки. После возведения постоянной крепи и проведения гидроизоляционных работ ледопородное ограждение ликвидируют.

Способ искусственного замораживания(рис.1) применяют при строительстве горных выработок в слабых неустойчивых водоносных породах. В мировой практике этот способ применяют с 1883 г. Естественное замораживание пород для проходки шурфов и стволов разведочных шахт применялось еще в начале прошлого столетия в Сибири. Искусственное замораживание горных пород для строительства подземных сооружений было впервые применено в Англии в 1862 г., однако официальной датой применения способа замораживания принято считать 1883 г., когда шведский инженер Петч получил патент на проходку ствола способом замораживания. В СССР способ был применен в 1928 году при строительстве одного из стволов Соликамского калийного комбината. Способ замораживания горных пород является одним из ведущих специальных способов строительства благодаря хорошему техническому оснащению. Искусственное замораживание может применяться в сложных гидрогеологических условиях (водонасыщеных песках, супесях, плывунах и т.п.) а также в устойчивых водоносных грунтах при притоке воды свыше 50 м³/час, если эти грунты подстилают неустойчивые водоносные грунты.[1]

Рис. 1 Схема искусственного замораживания горных пород. 1- замораживающая скважина, 2- замораживающая труба, 3- питающая труба, 4- выработка, 5- ледопородное ограждение

Исходя из заданных гидрогеологических условий принимаем зональное рассольное замораживание, прямоточное, с одним рядом замораживающих скважин. Режим замораживания выбираем обычный, с температурой хладоносителя - 25⁰С.

2. Определение толщины ледопородного ограждения

2.1 Определение нагрузки на крепь

Исходя из заданных горно-геологических и гидрогеологических условий, определяем максимальную величину внешнего давления на ледопородное ограждение, которая равна сумме горного и гидростатического давлений.

Горное давление рассчитывается по формуле:

т/м²

т/м²

где -удельный вес песка 1,7т/м³

Н- 200 м, глубина ствола,

А- 0,6 коэффициент горизонтального распора породы.

Гидростатическое давление воды определяют по формуле

Р_ст = _в Н_ст,

где _в - удельный вес воды, _в = 1 т/м³.

т/м²

Полную нагрузку на ледопородное ограждение Р принимают как сумму горного и гидростатического давления, т.е.

Р = Р_г + Р_ст.

т/м²=3,4 МПа

2.2 Расчет толщины ледопородного ограждения

Для больших глубин замораживания (более 150 м) при определении толщины ледопородного ограждения необходимо учитывать реологические свойства мерзлых пород. Расчет толщины ледопородного ограждения в этом случае ведется по двум предельным состояниям: по предельному напряженному состоянию, по предельному деформированному состоянию. Предварительно нужно принять величину заходки (большую или малую), которая определяется принятой схемой проходки ствола (большие заходки при последовательной и параллельной схемах, малые заходки при совмещенной схеме.

Выбираем расчет при проходке ствола малыми заходками (1 м) рассматриваются два случая в зависимости от степени промороженности пород по сечению ствола.[2]

Расчет по предельному напряженному состоянию рекомендуется выполнять по следующим формулам:

а) при полном защемлении только по верхнему торцу ледопородного ограждения

,

- предел прочности замороженной породы на сжатие, по табл. Инструкции 12МПа

м

б) при проходке ствола большими заходками толщина Л.П.О. по предельному напряженному состоянию:

,

=0,79 м;

Для расчета по предельному деформированному состоянию

.

где Р- внешняя нагрузка на ледопородное ограждение, МПа; - показатель упрочнения;- модуль деформации ледопородного цилиндра.

Для ориентировочных расчетов параметров =10, =3,65м

Из двух значений толщин ледопородных ограждений Е₁ и Е₂ к дальнейшим расчетам принимают толщину ледопородного ограждения Е₂, равную 3,6 м.

2.3 Средняя температура замораживания

2.4 Расчет радиуса расположения скважин

Диаметр окружности замораживающих скважин, с учетом их отклонения от вертикального положения.

,

где L -длина скважины, м.

м

Rск =5,69м

2.5 Расчёт количества замораживающих скважин

Количество замораживающих скважин n (шт.), располагаемых по контуру окружности(рис.2), по формуле

, шт.,

где - расстояние между замораживающими скважинами, м.

для стволов в слабых водоносных породах 0,8-1,2 м.

Рис. 2 Схема расположения замораживающих скважин вокруг ствола. R_пр - радиус ствола в проходке 3,5 м, Е - толщина ледопородного ограждения 3,6м

3. Определение мощности замораживающей станции и времени работы замораживающей станции

Для определения мощности замораживающей станции при отсутствии фильтрации вод используется так называемый балансовый метод, исходя из которого теплопоглощающая способность колонок должна быть больше количества тепла, отводимого от породы при ее замораживании , и количество тепла, идущего на охлаждение пород , окружающих ледопородное ограждение.

Количество тепла, которое необходимо отнять от породы для ее замораживания

где V- объем горной породы, подлежащей замораживанию,м³.

- количество тепла, которое необходимо отнять от 1 м³ породы для ее замораживания до определенной температуры, ккал/м³.

Общий объем грунта, подлежащего замораживанию

= Fh, м³,

где F - площадь сечения ледогрунтового ограждения, м²,

h - мощность замораживаемых пород, м.

W_n = р ( р ((R_в + Е)² - R_в²),

- внутренний радиус ствола, м.

Е - толщина ледопородного ограждения, 3,6 м.

м³

Объем воды, заключенной в каждом отдельном пласте породы в пределах ледопородного ограждения, будет равен

где - объем воды в пласте, м³

объем пород, подлежащих замораживанию,м³.

- процент содержания воды в каждом пласте.

м³

Определяется потребное количество холода по балансовому методу

где - количество тепла, необходимое для охлаждения воды в 1м³ замораживаемой породы от естественной температуры породы до температуры замерзания .

q₁ = V_{в 1} C₁ (t₀ - t₁) ккал,

где V_в - объем воды, содержащейся в грунте, м³;

₁ - плотность воды (1000 кг/м³);

С₁ - удельная теплоемкость воды, ккал/кг ^оС, (1 ккал/кг ^оС)

ккал

Количество холода на ледообразование (скрытая теплота) по формуле

q₂ =V_{в в} ,

где - скрытая теплота плавления льда, 78,9 ккал/кг

ккал

Количество холода q₃ (ккал), потребное для охлаждения льда от температуры t₀ до средней температуры замораживания t₂ по формуле

q₃ = V_{л л} C_л (t₃ - t_ср),

где С₃ - удельная теплоемкость льда при средней температуре 2,4 ккал/кгС.

V_л- объем льда=1,1V_в=1,1*0,43*0,9=0,42

ккал

Количество холода q₄ (ккал), потребное для охлаждения грунтов (твердых частиц) от начальной до конечной температуры, определяется по формуле

q₄ = W ₂ C₄(t₂ - t₁),

где W- объемный вес твердых частиц грунта, м³, W = 1 - n, n - пористость;

₂ - плотность грунта, кг/м³;

С₄ - теплоемкость твердых частиц грунтов, ккал/кг^оС, 0,2-0,25

ккал

Общее количество холода Q (ккал), потребное для замораживания расчетного объема грунта и грунтовой воды, определяется по формуле

Q = q₁ + q₂ + q₃ + q₄.

ккал.

ккал

Далее определяется внешний приток тепла к ледопородному ограждению по формуле.

Q_ох = 2 (R_н + R_вн)H q_ох, Вт,

где R_в и R_н - наружный и внутренний радиус ледопородного ограждения;

Н - глубина замораживания, м;

q_ох - плотность теплового потока (5-7 Вт/м² или 16-24 кДж/м² час при начальной температуре пород 8-12^оС. 4,77 ккал/м³)

ккал

Теплопоглощающая способность замораживающих колонок определяется как произведение поверхности замораживающих колонок на удельный тепловой поток qf, притекающий к 1 м² поверхности колонок, при зональной схеме замораживания т.е.

Q_к =0,4q_j(h+1,5h_p);

Вт

Где =100 Вт/м принимаем из таблицы 1.3.Инструкции по курсовому проектированию.

- 0,114 м, диаметр замораживающей колонки

- количество замораживающих колонок, 36 шт.

Н- глубина замораживания 200 м.

h-высота замораживаемых пород, 100 м

Зная теплопоглощающую способность колонок Q_к, можно определить хладопроизводительность замораживающей станции:

ккал

=11931 ккал

Продолжительность работы замораживающей станции в активный период.

; сут.

суток

Продолжительность пассивного замораживания

, сут.

где Н - полная глубина замораживаниям;

Н_г - глубина готового участка ствола к концу периода активного замораживания, м;

V_пр - средняя скорость проходки на участке замораживания водоносных пород, м/мес,

мес.

4. Выбор оборудования замораживающей станции

Основным оборудованием замораживающей станции является компрессор. В качестве паровых холодильных машин применяют преимущественно поршневые компрессоры. Однако могут применяться ротационные и турбокомпрессоры. По ступеням сжатия различают компрессоры одноступенчатые, двухступенчатые и трехступенчатые. По направлению движения хладагента в цилиндре компрессоры бывают прямоточные, в которых хладагент движется в одном направлении по отношению к цилиндру от момента всасывания до момента выталкивания, и компрессоры непрямоточные, в которых хладагент меняет свое направление движения, следуя за поршнем. По рабочим полостям разделяются на компрессоры простогодействия, в которых хладагент сжимается только одной стороной поршня, и компрессоры двойного действия, в которых сжатие хладагента осуществляется поочередно обеими сторонами поршня. По числу цилиндров компрессоры делятся на одноцилиндровые и многоцилиндровые, по расположению осей цилиндров - на горизонтальные, вертикальные и с угловым расположением цилиндров (У-образные). По скорости вращения вала компрессоры делят на тихоходные и быстроходные.