Специальные способы строительства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

замораживающий скважина ледопородный станция

Способ и схема замораживания

Определение нагрузки на ледопородное ограждение

Расчет толщины ледопородного ограждения

Расположение и число замораживающих скважин

Определение мощности замораживающей станции и времени работы замораживающей станции

Выбор оборудования замораживающей станции

Расчет потребного количества материалов

Выбор технологической схемы проходки и проходческого оборудования

Крепление стволов

Расчет параметром проходческого цикла

Гидроизоляция постоянной крепи

Ликвидация ледопородного ограждения

Погашение замораживающих скважин

Список используемой литературы

График организации работ

Приложение



Способ и схема замораживания

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 маркшейдер Герман Петш (Ашерслебен,Германия) получил патент на способ проходки стволов с замораживанием неустойчивых пород.

Способ искусственного замораживания применяют при строительстве подземных сооружений в слабых, неустойчивых водоносных горных породах. Сущность способа заключается в том, что до начала горностроительных работ по контуру подземного сооружения бурят скважины через 0,8-2,0 метра и оборудуют их замораживающими колонками.. Через замораживающие колонки с помощью насосов прокачивают хладоноситель, охлаждённый 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 горно-проходческим работам.

Ледопородное ограждение поддерживают в замороженном состоянии до тех пор, пока не будет закончено строительство подземного сооружения, после чего ледопородное ограждение ликвидируют.

Опираясь на исходные данные, выбирам одноступенчатую схему замораживания. При этой схеме замораживание осуществляют сразу на всю глубину водоносных неустойчивых пород. Способ замораживания выбираем рассольный. Рассольная сеть - система коммуникаций трубопроводов, в которой циркулирует хладоноситель (рассол).

Определение нагрузки на ледопородное ограждение

Полная нагрузка на ледопородное ограждение определяется как сумма горного давления и гидростатического давления воды.

Найдем величину горного давления:

где - объемный вес пород в стволе; Н - глубина ствола, м; - коэффициент горизонтального распора давления породы.

Отсюда:

Найдем величину гидростатического давления:

где - удельный вес воды; =70 м - толщина водонасыщенных горных пород.

Получаем:

Расчет толщины ледопородного ограждения

При глубине замораживания до 50-70 м расчет толщины ограждения можно осуществлять по формуле Лямэ-Гадолина:

где - давление водоносных пород на ледопородное ограждение;

- радиус внутренней окружности ледопородного ограждения принимаемый равным радиусу ствола в проходке, м; - допустимое напряжение замороженных пород на сжатие.

Получаем:

Температуру замораживающего рассола принимаем

Получается, что средняя температура замороженных пород равна:

Расположение и число замораживающих скважин

Расположение замораживающих скважин в плане устанавливают с учетом очертания и размеров проектируемого сооружения, размеров строительной площадки и расположения существующих наземных и подземных сооружений (Рис. 1). При глубинах замораживания от 50 до 100 м заглубление обычно составляет 3-4 м. Принимаем величину заглубления - 4м.

Найдем диаметр окружности, на которой будут располагаться скважины, с учетом их отклонения от вертикального положения:

Где - длина скважины; - толщина ледопородного ограждения.

Теперь определим число замораживающих скважин:

где - расстояние между замораживающими скважинами

Число дополнительных скважин

.

Число термонаблюдательных скважин принимаем

.

Число гидронаблюдательных скважин принимаем

.

; ; ;

Скважины оборудуются замораживающими колонками. В состав замораживающей колонки входят: замораживающая труба, башмак, головка, питающие отводящие трубы, опорный фонарь.

Рис. 1

Определение мощности замораживающей станции и времени работы замораживающей станции

Мощность замораживающей станции определяется по балансовому методу, согласно которому теплопоглощающая способность колонок должна быть равна или больше количества холода необходимого для замораживания пород, и количества холода , идущего на понижение температуры пород, окружающих ледопродное ограждение.

Количество холода необходимое для замораживания определяется как:

где - объем горной породы, подлежащей замораживанию, ;

- количество тепла, которое необходимо отнять от 1 породы для замораживания до определенной отрицательной температуры (средней температуры ледопородного ограждения по сечению), кДж/

Объем горной породы расчитывается:

где - радиус ствола в проходке, м; - глубина замораживания, м;

- толщина ледопородного ограждения;

Получим:

Количество тепла вычисляем по формуле:

где - количество холода, необходимое для охлаждения воды в 1 замораживаемой породы от естественной температуры породы до температуры замерзания , кДж/

где - плотность воды; - удельная теплоемкость воды - 1 ккал/кгград °С, 4,2 кДж/(кгК ); - объем воды, содержащейся в грунте, определяемый по формуле:

где -коэффициент пористости породы;

- коэффициент влажности породы, доли единицы;

Получим:

Отсюда:

- количество холода, идущее на отбор скрытой теплоты ледообразования (скрытая теплота) определяется по формуле:

где - скрытая теплота плавления льда, 80 ккал/кг, или 336 кДж/кгК

- количество холода, идущее на охлаждение льда от температуры льдообразования до заданной температуры , определяемое по формуле:

где удельная теплоемкость льда 1,8 кДж/(кгК ), 0,43 ккал/кгград).

- Количество холода, потребное для охлаждения грунтов (твердых частиц) от начальной температуры до заданной температуры , определяется по формуле:

где плотность грунта; теплоемкость твердых частиц грунтов, ккал/кг°С; - объемный вес твердых частиц грунта, , , n-пористость.

Получим:

Отсюда получаем общее количество тепла:

В итоге получаем количество холода необходимое для замораживания:

Определяем количество холода, необходимое для понижения температуры окружающих ледопородное ограждение пород:

где и - наружный и внутренний радиус ледопродного ограждения; - глубина замораживания, м.

- теплоприток к 1 поверхности ледопородного ограждения, принимаемый по данным практики (5-7 Вт/м² или 16-24 кДж/м² час при начальной температуре пород 8-12°С и 10-15 Вт/м² или 40-42 кДж/м³ час при температуре 20-25°С), q_ox = 2-5 ккал/м²ч при t = 10°; 6-10 при t = 20°; 11-20 при t = 30°.

Получаем:

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

где -диаметр замораживающей колонки;

- величина удельного теплового потока.

Определим хладопроизводительность замораживающей станции:

Теперь определим продолжительность работы замораживающей станции в активный период:

Определим продолжительность работы замораживающей станции в пассивный период:

где - полная глубина замораживания; - средняя скорость проходки на участке замораживания водоносных пород, м/сут (обычно около 0,5-2 м/сут).

Выбор оборудования замораживающей станции

Для замораживания пород на небольшие глубины, в районе 100 м., чаще всего, и целесообразнее использовать передвижные замораживающие станции, ПХС-100. В качестве хладагента для этой станции применяют фреон. Холодильная станция состоит из двух, управляемых с одного пульта, холодильных установок ПХУ-50. Станция ПХС-100 работает в полуавтоматическом режиме, который предусматривает автоматическую защиту холодильной машины при отклонении параметров давления и температуры нагнетания компрессора, давления всасывания и давления в системе смазки.

Технические характеристики станции:

Показатели	ПХС-100
Хладопроизводительность, ккал/ч Температура кипения / конденсации	350000
Холодоагент	Фреон-22
Марка компрессора	П-220
Общая мощность электродвигателя, кВт	210
Мощность электродвигателя компрессора, кВт	75
Напряжение питание силовых цепей, В	380
Частота вращения компрессора, об/мин	1450
Масса станции в объеме поставки, т	2,8
Расход охлаждающей воды при температуре воды плюс 30°С,	70
Вид кузова	Стандартный Кунг-П10
Марка шасси прицепа	МАЗ-5224В

Рассчитаем диаметр магистральных трубопроводов:

где - рабочая хладопроизводительность замораживающей станции; 1285 - плотность хладоносителя - теплоемкость хладоносителя при его средней температуре; - разность температур хладоносителя, выходящего из колонки и подаваемого в колонку; - скорость движения хладоносителя в трубопроводе

Получим:

Расчет потребного количества материалов

Рассчитаем общие расходы воды, хладоносителя, электроэнергии, и числа тюбингов.

Вычислим расход воды по формуле:

где - разность температур воды, выходящей и поступающей на конденсаторы.

вычислим количество воды, необходимой на весь период замораживания:

Вычислим расход хладоносителя:

вычислим количество хладоносителя, потребляемое за весь период замораживания:

вычислим количество потребляемой энергии за весь период замораживания:

где - общая мощность электродвигателя.

рассчитаем общее количество тюбингов, потребуемое для строительства.

Количество тюбингов на одно кольцо равно:

Количество колец в стволе:

Получим общее количество тюбингов:

Ведомость материалов

Наименование	Обозначение	Единица измерения	Количество
Замораживающая станция	ПХС-100	Шт	1
Вода	-	м3/ч
Хладагент	Фреон	м3/ч
Электроэнергия	-
Тюбинги	-	Шт	938

Выбор технологической схемы проходки и проходческого оборудования

Исходя из данных условий целесообразно в качестве схемы проходки ствола выбрать - последовательную. Совмещенная схема предусматривает выполнение операций по выемке породы и возведению постоянной крепи последовательно или с частичным совмещением в призабойной части ствола на высоте одной заходки. Для проходки глубоких стволов способом замораживания в основном используется горнопроходческое оборудование, применяемое при проходке стволов обычным способом, а именно: проходческие копры, подъемные машины, проходческие лебедки, подвесные полки. В данной работе целесообразно использовать шатровый копёр ВНИИОМШС II. Для проходческих подъемов предусматривают подъемные машины типов БМ-2000, БМ-3000, Ц-3,5х2, 2Ц-3,5х1,7; для материальных подъемов используют БМ-2000, БМ-2500, БМ-3000; для натяжения направляющих канатов используют лебедки 2ЛП-5/500, 2ЛПМ-10/600 и др. Выдача породы осуществляется в самоопрокидывающихся проходческих бадьях БПС-1, вместимостью 1 куб.м. Для спуска и выдачи материалов применяют бадьи БП, отличающиеся от бадей БПС отсутствием оборудования для опрокидывания бадей при разгрузке. Для подъемов применяют стальные канаты диаметром 20, 25 и 30 мм, для проводников - стальные канаты закрытой конструкции диаметром 20-28 мм. Верхние концы направляющих канатов крепят к барабанам лебедок, нижние - к натяжной раме. Конструкции рамы аналогичны конструкции нижнего этажа подвесного полка. Иногда в качестве натяжной рамы используют подвесные полки. Для подвески полков применяются лебедки ЛП-18/1000, ЛП-25/600, ЛП-35/800, ЛП-45/1000 и др.; расстояние между этажами полка принимают 6,5 м из условия возведения тюбинговой крепи. Погрузка породы производится пневматическими грузчиками типа КС-2у/40.

Все трубопроводы и кабели в стволах подвешиваются на стальных канатах, что позволяет свободно перемещать подвесной полок при ведении гидроизоляционных работ. Для подачи бетонной смеси в ствол к месту укладки за тюбинговую крепь предусматривают два трубопровода диаметром 168x7 и 219x7 мм, трубопроводы подвешивают на стальных канатах диаметром 29-49 мм.

Крепление стволов

Специфическими условиями крепления стволов, проходимых способом замораживания, являются: отрицательная температура породы в период возведения крепи, необходимая водонепроницаемость крепи, способность крепи воспринимать в отдельных случаях высокие, часто неравномерные нагрузки почти сразу же после ее возведения. Для крепления ствола в замороженных породах чаще всего применяют чугунные тюбинги с заполнением закрепного пространства цементными раствороми. Примем тюбинги Шахтспецстроя высотой 1,5 м.

Расчет параметров проходческого цикла

Проходческий цикл состоит из следующих операций: разработка породы, погрузка породы, крепление тюбинговой крепью, укладка бетона затюбинговое пространство, спуск и подъем людей, вспомогательные операции. Породу разрушают пневматическими отбойными молотками легкого и тяжелого типов, пневмоломами. Погрузка породы производиться в две фазы. В первой фазе погрузка породы производится грейфером в проходческую бадью без применения ручного труда. В этой фазе производительность погрузки максимальна. Во второй фазе погрузка производится с применением ручного труда- подкидка породы, зачистка забоя и т.д.

Объем погужаемой породы во II фазе составляет примерно 10-13 % всего объема погруженной породы, а время 30-35% от общего времени погрузки.

Продолжительность проходческого цикла:

где ;

продолжительность погрузки породы;

- продолжительность возведения крепи;

- продолжительность укладки бетона в затюбинговое пространство; - продолжительность спуска и подъема смены;

- время вспомогательных операций.

Время разработки породы равно:

где V- объем породы;

V = 3.141,5=42

где n=5- число рабочих, занятых на разработке; - производительность одного рабочего.

Время погрузки породы, учитывая две стадии:

где - продолжительность погрузки первой фазы;

- продолжительность погрузки второй фазы.

где =1,2- коэффициент, учитывающий неравномерность работы, регламентируемый отдых, простои по организационным причинам и т.д.;

- время работы машины по погрузке породы в бадью

б= 0,9 - доля породы в первой фазе; Р = 102- производительность машины (для КС-2у/40); =0,75- коэффициент одновременности работы;

- коэффициент, учитывающий просыпание породы при разгрузке грейфера в бадьи.

где d_б = 1,15 м - диаметр бадьи объемом 1м³;

d_гр = 1,67 - диаметр грейфера в раскрытом состоянии

Отсюда получаем:

=

где - технологические простои машины, связанные с маневрами бадьи в забое.

где =0,02 часа- время простоя машин по причине маневра бадьи;

=0,9- коэффициент заполнения бадьи; - объем бадьи (БПС-1)

=0,8 час

В итоге получим:

Время второй фазы:

где =5 - число рабочих, занятых на погрузке породы во второй фазе;

=1,2 /час- производительность одного рабочего

Общее время погрузки получаем равным:

Время возведения кольца крепи:

где N=12 шт - количество тюбингов в 1 кольце; H_вр=1,4 чел/ч - норма времени на возведение 1 тюбинга; n=5 - количество человек занятых монтажом тюбингов

Время укладки бетонной смеси:

,

где - объем затюбингового пространства;

=20/час -производительность бетононасоса (СБ-207 или СБ-207А)

=

где t - 0.3м -толщина затюбингового пространства;

=3,14*

Время спуска и подъема принимаем равным:

Время вспомогательных операций:

Получаем продолжительность проходческого цикла равную:

Время и скорость проходки ствола равна:

где h_зах= 1,5м - величина заходки; n= 26- число рабочих дней в месяц.

Определим среднюю календарную скорость проходки:



Гидроизоляция постоянной крепи, оттаивание

Для предотвращения проникновения подземных вод через крепь внутрь стволов проводят работы по ее гидроизоляции. В двух- или трехслойных крепях (бетон - тюбинги или временный бетон - постоянный бетон - тюбинги) стволов, вскрывающих месторождения с особо сложными гидрогеологическими условиями, бетонная крепь предназначена для восприятия горного давления, а тюбинговая - для удержания гидростатического 'давления подземных вод. Следовательно, гидроизоляция крепей этих стволов сводится главным образом к гидроизоляции тюбинговой крепи и состоит в уплотнении следующих ее элементов: вертикальных (радиальных) и горизонтальных (кольцевых) швов; болтовых соединений; тампонажных отверстий; соединительных, (пикотажных) швов между отдельными звеньями. Защиту ствола от проникновения воды осуществляют:

· укладкой свинцовой проволоки, имеющей в сечении форму эллипса, в вертикальные и горизонтальные швы и ее чеканкой;

· установкой и затяжкой уплотнительных сферических металлоасбобитумных шайб в узлах болтовых соединений;

· установкой и затяжкой свинцовых или асбобитумных плоских шайб под заплечики тампонажных пробок;

· уплотнением соединительных швов между отдельными звеньями крепи путем расклинки деревянными клиньями (соединительный пикотаж) или заделки шва цементным тестом.

Гидроизоляцию швов тюбингов крепи осуществляют в две стадии: первичную - до оттаивания замороженных пород, вторичную - только после полного их оттаивания.

В последние годы с целью придания бетонной крепи более высоких гидроизоляционных свойств стали применять полиэтиленовую пленку, которую заделывают в бетон на всю глубину водоносных пород.

Ликвидация ледопородного ограждения

После проходки ствола на участке замороженных пород работа замораживающей станции прекращается и начинается оттаивание замороженных пород. Оттаивание пород бывает естественным и искуственным. Оттаивание пород, происходящее только под влиянием тепла, притекающего со стороны незамороженных пород, называется естественным. Продолжительность естественного оттаивания пород зависит от количества холода, переданного породам во время их замораживания, от температуры, при которой осуществлялось замораживание. Скорость повышения температуры пород под влиянием земного теплопритока в среднем составляет 0,1°С в сутки. Соответственно скорость естественного оттаивания пород составляет в среднем 0,1 см/сут. Достоинство такого оттаивания в том, что отсутствуют затраты на его осуществление. Недостатки - неравномерная нагрузка на крепь, длительные сроки и невозможность управлять процессом.

Искуственное оттаивание пород может осуществляться следующими способами: циркуляцией подогретого хладоносителя в колонках; заполнением ствола водой с последующим подогревом его паром; подогревом воздуха, подаваемого в ствол и т.д. Примем способ циркуляцией в скважинах подогретого рассола, который нагревается в испарителях или специальных баках.

Погашение замораживающих скважин

Извлечение труб из скважин может производиться до или после оттаивания пород. Работы по извлечению труб опасны возможностью образования пустот.

Извлечение труб после оттаивания производится после демонтажа рассольной сети. При помощи сжатого воздуха из колонок удаляют рассол, после этого извлекают питающие и отводящие трубы, подъем труб осуществляется при помощи пятитонной лебедки ЛП-5 с полиспастом. При извлечении замораживающих труб внутренним труборезом отрезают башмак, затем извлекают труборез, после чего приступают к пробному подъему замораживающей колонки. Перед подъемом колонна замораживающих труб заполняется цементным тампонажным раствором с удельным весом не менее 1,4-1,5 кг/м. Б начальный период подъема в раствор добавляют 3-4% песка. По мере подъема колонны цементный раствор выходит через нижний конец трубы в скважину. Заполняет пустоты и предупреждает обрушение пород. Колонны, не поддающиеся извлечению, также заполняют тампонажным раствором с предварительным нарушением целостности трубы взрывами зарядов ВВ.

Процент извлекаемых труб невелик, что объясняется следующим:

трудоемкость работ;

отсутствие высокопроизводительных механизмов;

- в стволах с высоким давлением на крепь трубы оставляют для
уменьшения нагрузки на крепь.

Поэтому часто замораживающие трубы заливают цементным раствором, чаще -- тампонируют с перфорированием.



Список используемой литературы

1. И.Д. Насонов, В.А. Федюкин, М.Н. Шуплик, В.И. Ресин. «Технология строительства подземных сооружений. Специальные способы строительства» 2-е издание. НЕДРА 1992. 351 с.

2. М.Н. Шуплик, А.В. Кузина. «Инструкция и методические указания по выполнению курсового проекта по дисциплине «Шахтное и подземное строительство» (Специальные способы строительства)». Москва 2009.

3. Шахтное и подземное строительство Том I: Учебник для вузов 2-е изд.,/ Б.А. Картозия, Б.И. Федунец, М.Н. Шуплик. М.: Изд - во академии горных наук, 2001.

4. Справочник инженера-шахтостроителья. Том 1. Под общей ред. В.В.Белого. М.,Недра, 1983. 439 с.

5. Единые нормы и расценки на строительные монтажные и ремонтно-строительные работы. Сборник Е36, Выпуск 1, "Строительство угольных шахт и карьеров".

Размещено на Allbest.ru

...