автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.04, диссертация на тему:Исследование и совершенствование технологии замораживания пород горизонтальными колонками при проведении выработок в особо сложных гидрогеологических условиях

Государственный комитет Российской Федерации по виошаму образованию

Тульский х'осударстзешшй технический университет

ДОСЛЕДОВАНИЕ И С0ВЕНШ1СТВ0ВАШ1Е ТЕХНОЛОГИИ ЗАЮРАЗИВАНИЯ ПОРОД ГОРИЗШТАЛЫШШ КОЛОНКАМИ ПРИ ДРОБПДаШ ВЫРАБОТОК В. ОСОБО слошшх • •. 4 ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ .

Специальность 05.15.04 -- Ши'хтиоо строительство

Диссертация на оояй&ише ученой стапяни "кандидата технических наук " а форме научного доклада

Тула - 1993

На правах рукописи

УДК 622.2ЬЗ.35.001'. Ь

Работа выполнена в Подмосковном научно-исследовательском и прорктно-консгрукторском угольном институте

Научный консультант - доктор технических наук

Потапенко в.Л.

Официальные

оппоненты - доктор технических наук,

' . профессор Булычев Н-С.

кандидат технических наук Селезнев H.A.

. Ведущее предприятие - мобильное проектно-строигельноз объединение "СоюзтоннельстроЙ"

Защита диссертации состоится " ^ " ^ 1993 г. в часов на заседании специализированного совета Д.ОбЭ.47.01 Тульского государственного технического университета по адресу: SQ0500, г.Тула пр.Ленина,д.92, учебный, корпус 9, ауд.101. • " >

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного технического университета. . '

Автореферат разослан " 4$ '' &' 1993 г."

Ученый сёкретарь специализированного совета ~ О.М.Пискунов

ОБЩАЯ' ХАРАКТЕРИСТИКА РА) Л'и

Диссертация, представленная в-форме научного доклада, является обобщением опубликованных в 1572-1990 г.г, работ автора но риуульга ■ •гам исследований, совершенствования и нромиьшншого внсд^ьюхи,>-логии &:«юракивашш пород горизонтальными полинкака при ирЪвепвнии выработок в особо охомшк гидрогеологических условия. и «ийкимун подзешшх п&редв.шшх заабратага-'чщих уот'ановок

Актуальность работы. Постоянно возрастав-«¡о Нит--рейпостп России в энергетическом сырье' ставят перед угольной црсиш-л шноотьй задачи по ускоришь технического цьревс.ору^ыил ппх? за счет •гохнологаи ьидеиад горних ра; от па ¿иьи -

мшх технических средств.

Паи oTpo.iTtijii.-r2G и зтегугуамня-п шахт ¡¡ч ¿.¡ссгэрптденияг о особо сложными гор но "и гидрогеологическими .уолоои.и.-а бсо'ое енгччнчи ретает совершенствование технологии проходческих работ, которое ложна обеспечивать своевременное я качественное воспроизводство действующего очистного фронта. Одним из путей ее совершенствования при разработке и Освоении местороздений полезных ископаемых, а такие подземном строительстве в различных-областях .хозяйственной деятельности является применение эффективных специальных способов сооружения горних выработок.

Критериями при выборе того или иного специального способа до^яш быть не только его надежность, экономическая целесообразность,не 1! уровень безопасности ведения как специальных, так и горных работ, С этих позиций наибольыоо пркиенынив получил способ эьш^&аьаийя но-род, в том числе и способ замораживания колонками на забоя проводи-мой выработки с использованием ППЗУ, раэр&Логашш* в 1ШЛУ11. Гам га Ф. А. Карасевым били проведены исследования по онредаяг н«ы толйшш горизонтального ледопородного ограждения и времени на его оЗрдзоытые.

Первый же опыт применения, этого способа на' шахтах "Новомосковска^ й "Дедиловскал" Подмосковного угольного -1ас;ос:ша показал, что.наряду с его экономической цел.зеообрчзаоотъю н технической перолсгкгшшоатыи, он все же обладает высокой трудоемкостью в обслуживании ДцЬУ.лязкнтИ показателями надежности ее работы, сложным и неоперативным контролем процесса замораживания. Кроме того отсутствуют или недостаточно науЧг-но обоснованы методы расчета ряда его уаж/л^ги'даска? параметров. Поэтому необходшлость исследования &тих воц£.»>иг,п »аирчтои мктучль».Л научной зад' -ши. ' ■ . -

Целью р в б о т ы является установление зависимостей характеристик системи "горизонтальные колонки - ледонородное ограждение" с обоснование параметров способа замораживания пород из забоя проводимой выработки для'его совершенствования я повышения эффективности проходки за счет сокращения продолжительности выполнения спецработ, • снияшиия их трудоемкости, стоимости и повышения безопасности. '

Идея р а 6 о т м заключается в оптимизации процесса образования проектного леДопородлого ограждения посредством взаимосвязи полученных технологических, теплотехнических и электрических параметров замораживания неустойчивых обводненных пород горизонтальными коло нкш.ш.

О с н о в н и о научные п о л о ж е н и я, р а з р а б о-танине лично с о и с к а т е л е м, и их новизна:

компенсация теплопритока к забойной части ледодородного ограждения обеспечивает безопасность ведения работ на сопряжении "проведенная выработка - замороженный массив", целесообразные технологические варианты которой определяются комплексом геологических, гидрогеологических и горнотехнических условий;

в горизонтальном кольцевом замораживающем контуре средняя ско -рость нодвигшшя границы промерзания пород ядра всегда в два раза выше, чем во внешнюю область от линии расположения.колонок, что предопределяет за время образования проектного ледонородного ограждения создание сплошного стабилизированного массива в сечении выработок характерных для шахтного строительства;

яри'замораживалии горизонтальными колонками в их кольцевом пространстве существует вязкостный режим ламинарного течения 'хладоиосите-ля, который имеет определяющее значение в закономерностях изменения процесса теплоотдачи; , '

интерференция смевдых заморакивавщих колонок, функционально зависящая от расстояния между нимк., температуры хладоносителя и толщины ледоперодного ограждения оказывает существенное влияние на формирование .его температурного поля;

электрическое сопротивление водоносных пород, как функция температуры, не однозначно"при замораживании и оттаивании. С понижением конечной .температуры замораживания величина гистерезиса увеличивается, но в диапазоне изотерм - 0,5 + 0,5°С, где электрическое сопротивление изменяется в 4-8 раз, он практически отсутствует;

. интенсивное изменение электропроводности обводненных заморажи -Баемых пород при переходе из одного их агрегатного состояния в

. другое позволяет осуществлять прямой контроль за границей промерзания пли оттаивания;

автоматизации Ш13У дол;ша предусматривать управлений всеми процессами технологического цикла средствами автоматики и регулирование хладопроизводителыюоти цо способу"щск-остайовка";

оптимизация процесса замораживания оовспччивавтоя совокупной работой айтоматизированноЙ подземкой перодвижной замораживающей установкой (А113У) и средств прямого контроля проектного положения границы ледопородного.охлаждения.

Обоснованность и достоверность н а у. ч н и, х. положений u р о к о и о н д- а ц и ü подтверждается:

Цуимодскием комплеконого метода исиладованпЗ, гклетг.гй&го научное. обобщение и анализ ранее проведенных работ, «палатачсскно исзяе-' дования с'использованием и развитием современных методов расчета параметров процесса замораживания, .его лабораторные исследования методом физического моделирования, натурные эксперименты с сопоставле-ниемрасчетних и экспериментальных данных-для оценки достоверности аналитических решений;

достаточным объемом и удовлетворительной оходимостъв аналитических и экспериментальных данных с шахтными исследованиями (ралхсвде-пие не проникает 10 %);

п.оложптальньк.ш результатами широкомасштабного ьаьдреаая тохикли -гни заморализдшы пород из забоя проводкьок выработка на пактах Гюд-шиковного, Ггочорскогц, Донецкого и фзиецксго $ голыш* оасоейвсв, а так.^е шахте 'Тодопин-Г' в ЧССР.

Н. а у ч к о о з и а ч о н u е р а о о т ы заключав с с -.i в уста-иометт влияния коаилокоа фак5оров на эффективность технолог л л работ для обоснования рациоьалышх вариантов, схем и параштров усовершенствованного процесса замораживания пород горизонтальными колонками, осесшучнваюцих его оппшильность' та всех стадиях: нзчокания, проектирования и производства работ.

П'-р а.-к т и ч е с ic а я ц а н н о с т ь д и о о е р т а ц к и: разработаны методы расчета рада основных технологических, теплотехнических и электрических параметров, позволившие обеспечить комплексное решение задачи по рациональному иройюлроваяяю и расчету процесса замораживают гсризонта.-шними колонками;

впервые разработано универсальное устройство управления процессом замораживания горных пород,обеспечивающее оперативный прямой контроль за проектной границей промерзания и защищенное'авторским свидетельством; . " • ,."■•''

предложены и обоснованы новые технические решения и рекомендации по автоматизации ПИЗУ;

экспериментами и внедрением доказана эффективность выбранного направления оптимизации процесса заморагкиванйя пород, что позволило -значительно повысить технико-экономические показатели усовершенствованной технологии подземного замораживания; • . ' :

разработанные МШУ. не имеют аналогов в отечественной и зарубеас- . ной практике. ' . . "'■'■'

Р е а л 'и з а а и выводов и рекомендаций. Научные результаты и практические рекомендации вошли составной частью в разработанное с участием автора "руководство' по технологии ■ ^проведения и перекропления горных выработок с применением подземных передвижных замораживающих устаЯЬвок",утв'ерзденное Техническим управлением Ыинуглепрома СССР 1.03.1981 р. и вошедшее в '.'Перечень отраслевых нормативных документов и руководящих материалов по.-вопросам проектирования предприятии угольной промышленности" (п.'6.2,44 М., 1984 г.). ' . ' .

Продана лицензия в-ЧССР на право использования технологии замо- • ракивания. пород горизонтальными .колонками-с. применением' АПЬУ;

Усовершенствованная, технология подземного замораживания.внедрена на 15 шахтах Подмосковного-бассейна, шахте "Воркутинская". ГЮ "Вор-кутауголь", шахте- "Кировская ¿ападная" ПО " Совет ску голь", ештв имени Артема ПО "Ростовуголь", шахте "Казацкая".ПО. "Александрияуголь",-шахтах "Полымевская" и имени Ярославского ассоциации "Лешшскуголь", шахте "Годонин-1" концерна У1Е г. ПрЬеввдза ЧССР.

Только подтвержденный ■ прямой хозрасчетный экономический эффект на шахтах отрасли составил более 1,9 млн.руб. ( в ценах до 1939 г.,').

А яр о б о ц и я 'р а боты. Основные полокенйя и рекомевдаг дай диссертации докладывались и получила одобрение на научно-технических советах ПШШ1.' (ггНо1зоШсковск,1972-1992 г,г.}, ПО "Новомосковск-уголь" (г.Новомосковск,1972-1985 г.г,), ПО "Тулауголь" (г.Тула,1939--1991 г.г.), ПО "Воркутауголь"-(т.Воркута Д983с\),П0 "Советскугояь" (г.Макеевка,1985 г.),ПО "Роотовуголь" (г.Ьахты,1985 г.),ш/у "ВатуМинское'' но "Александрияуголь" (г.Ватутино,1а8аг.-),Г10 "Ле1Шнскуголь''

(г.Ленинск-Кузнецкий,1991 г.). заседания НТС секции по'оборудовании для подготовительных работ ИРД-пи. д.А.Скочинского (г.Люберцы,Т978 г.; заседании кафедры строительства горних предприятий ВМ! (г.Мос:^т, 1978 г.), ХШ и ПУ научно-технических конвенциях профессорско-преподавательского состава ТГТУ ('г. ТУ ла, 1977-1978 г.л,) с •шшчссспх дирекциях концерна УЛ.'] Цриевидзз.ЧССР (г.Приепидза, 1979-1930 г.г.) п строительства Пражского - метро, ЧССР (г.Пяага,1980 г.), на технических советах "Мосмотпостроя" (г.Москва, 1990 г.),. УС "Днвпрсмет!.-»строя" (г. Днепропетровск, 1990-1991 г.г.).

Центральный совет БОЯР. Гозкоштет по делх! изобретешь'', п ог:;>'Ы--тий цоотановлвнием И 24.от 21.05.85 г. наградили дгплсжюи птопоП степени "Ва создание лучших образцов новой техники и передово:";'техпало-гия в 1984-85 г.г." авторов нообрстопйя 807713 (- Гел^суула В.Ч-, Карасёва Ф.А., Приба Э.Э.), участвовавших во Всесоюзном смотре т максимальному использованию изобретений.

Усовершенствованная технология замораживания пород с использованием АНЗУ демонстрировалась на международной выставке "Уголь - 33", а . в 1984 г к. получила- золотую* серебряную й бронзовую медали на ВДНХ СССР.

Публикации. Основные положения работы опубликованы в I монографин, I броивре, 14 статьях,'I авторском свидетельстве, использованы в .более чем 90 научно-технических отчетах п техно-рабочих проектах проходки выработок с применением подземного замораживания.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ОПУКШКОВАГЯГЫХ РАТОТ

Способ замораялвачия пород вертикальными колонками, заложенными с земной поверхности, достаточно изучен и имеются научно обоснованные методы расчета .его .параметров, в то ке время вопросы проектирования," расчета и. технологии замораживания горизонтальными колонкам;! из забоя проводимой выработки-ещё недостаточно разработаны.

решению указанных вопросов и поевтцонх опубликованные работы автор.«,, подготовленные по результатам проведенных под его руководством-и непосредственном участии исследований и--промышленного внедрения разработок.

' Большой вклад в развитие способа замораживания пород горизонтальными колонками внесли II. Г. Тру пак; Ф.А.Караоёп, И.Д.Насопсв, М-Н-Шуилик, 0.А.Долгов, В.Н.Пуголовкяп. Однако анализ опубликованных работ показал, 'Что метод расчета процесса заморажлвапия пород гори--' зонталышми колонками более полно разработан применительно к коллои-

торостроршто на небольших глубинах-для случаев прямоточной схош замораживания (не является универсальной и не всегда технически осу-' щэсгвима) п пенис: полно применительно к шхтяоод строительству. Использование ке известных методов расчета, не учитывающих особенностей Нормирован!!ч горизонтального ледопородного ограждения,как показал первый опыт замораживания в Подмосковном у.голоном бассейне .неприемлемо [1,13]. !

В практике проектирования замораживания пород при сооружении' стволов лодопородпое ограждение представляют в форме правильного цилиндра с тсплопрнтоком к боковой поверхности. ТеплопритоК к их устью-во внимание не принимается. Однако при подземном замораживании тепло-приток к забою выработки может оказывать существенное- влияние на -процесс) формирования горизонтального ледопородного ограждения и неучет его может привести-к нежелательным результата^.

Так,при проведении сложных участков на шахтах "Нелидовская" и "Смирновская" с заложением колонок из забоя выработки,после оконча- ' ния проектного срока заморашгаания в начале проходки произошли- про- . ривы обводненных пород. Анализ показал, что йа первых 1,5-2 м толщина ледопородного ограждения била меньше проектной и недостаточной для рооприягия горного и гидростатического давления

С целью определения качественных и количественных характеристик процесса формирования ледопородного ограждение г рмзонталышми колонками автор проводил исследования методами физического моделирования с соблюдением необходимых критериев подобия ( геометрического,гидромеханического, теплового и краевого ) в натурные, наблюдения в шахт- • ных условиях. Их дналлэ показал,что за счет влияния теплопритока к торцу горизонтального ледопородного ограждения.происходит неравйомер-ное нарастание его по длине. Толщина ледопородного ограждения в наиболее опасном сечении ( у забоя ) Составляла лишь 70 % его проектного значения при наименее благоприятном ( температура рассола - 15°С и температура среды. + 20°С ) и 92. %' при наиболее благоприятном (температура-рассола - 30°С и температура среди 5,5°С) режимах замора-«швания. При этом тепловое влияние прослеживается соответственно на глубину 2,5 я 1,8 м [э]. /

. Следует отметить, что данные результата получены £фи отсутствии фильтрации пластовой воды, В натурных х© условиях в зоне забоя, как правило, наблюдается повышенная ее-фильтрация, что приводит к худшему смыканию ледолородных тел отдельных колонок. Шахтные. исследования подтвердили качественную сторону физического, моделирования, а

количественные показатели ухудшились на 15-20 %.

Проведенные исследования' позволили рекомендовать мери, необходимые для ликвидации неравномерности толщины горизонтального лодопо-рбдно'го ограждения [-5,1б] » Внедрение этих рекомендаций обеспечила безопасные условия проходки при аналогичных обстоятельствах на последующих проходках, слряных .участков.

При многостадийном дамораял: ^¡нй необходимо, чтобы на стшсе за-

ходок создавался.сплошной массив'замороженных пород, предотвращав- . щай выпуск водоносных пород п выработку. С этой цеЗию'другими исследователями рекомендовалось применять дополнительные замораживающие колонки, закладываемые"либо' в поперечном сечении проводимой вырибот- • . ки, ¿вн& барьорзда' аа 'Границе змсодок, пробуриваемые вертикально с

■ 9бшо1;л»ов'ёрхйос1Я. ;Такоа 'решение проблемы отрицательно сказывается • на технико-экономических показателях проходки.

■Одним йз критериев, 'продойределяодих такие рекомендации, являлось положение, перенесенное из практика замораживания пород при проходке вертикальных :отвблов,' о том, что соотношение частей толщина ледопорадного ограждения,-измеряемых от кольца расположения колонок до внешней и внутренней границ,' составляет Ен То аоть средние скорости продвижения границы промерзания во внешний область и в сторону ядра различны и их соотношение составляет соответственно- Ун - 1*1,5',

При замрракивании горизонтальными колонкам в подземных уело -виях, учитывая технологические трудности их заложения на достаточно большом удалении от контура выработки в проходке, в качестве ладопо-родиого ограждений -вынуждены использовать, в основном, внешиыо часть замороженного- массива от кольца колонок. Значение же внутренней части на .практике составляет Е$ - 0,15 - 0,г5м.

•■' На основании-проведённых аналитических, лабораторных и шахтных '¿кейерим-знталышх.Доследований' установлено, что в горизонтальном за-

■ Мйрашшаюуём контура средняя скорость продвигают границы промерзания Пород.ядра всегда'в два раза выше, чем во внешнюю область от линии располрдг-аия колонок, чм,-предопределяет за время образования Проектного дедояородного ограждение .создание сплошного стабилизированного шссдаа .в ойчении выработок, характерных Для шахтного строительства; £э,15] . Так, согласно полученному аналитическому выражению

* . 'условия промораживания ядра сечэния виработкп при в&данннх тозшданах ." лбдопородного охлаждения

ьпр ^ 4Е-6Е, ..... ■ Ш '•

где ¡ар - диаметр выработки в' проходке, м; Е - проектная толщина ледопородного ограждения,м, для условий шахт Подмосковного бассейна в выработках с ])Лр — 7,1н исключается применение центральных

пли барьерных замораживающих колонок.

В выработках с большим сечением образование сплошного замороженного массива возможно за счет превышения необходимой толщину ограждения, целесообразность которого устанавливается сопоставлением с вариантами заложения дополнительных колонок с одновременным учетом критериев шшцмизации времени и затрат.

Цроцессы активного и пассивного замораживания пород неразрывно . связаны с тешюпритоком от незамороженных пород к границе лодоно-родного ограждения,-на формирование и сохранность которого теплопри-ток может влиять сущесшенно, В связи с фактором Промораживания ядра и принятой геометрией горизонтального лздонородного ограждения поправочный коэффициент, учитывающий земной теплоприток от незамороженных пород определяется по фородле: -

, 19(Ь - То)(*пР V ГЩ^ X , (2)

где Тг - начальная температура горных Пород;К; Т9 - температура замерзания пластовой воды,К:, Тр - температура хлздон-ссителя (рассола)^; - радиус, заложения, заморааивавщмх колонок,и; £ - расстояние мевду колонками, м; - внутренний диаметр колонки,м; р - энтальпия замораживаемых пород, кДк/м3.

Одним из основных параметров в технике •аашрашшания пород является'поверхностная плотность теплового потока к замораживающей колонке, по сродней величине которого рассчитывают теплопог-лощаювдю способность колонок и потребную хладбпроизводительность замораживающей станции. В практических расчетах за всё вреда активного замораживания ее рекомеццовалось принимать в' пределах 233291 Вт/и2 при Тр «г И5$ ~ МЦ К , Однако аншшз первых же результатов замораживания горизонтальными колонками с использованиём ППЗУ на шахтах Подмосковного бассейна показал, что эта величина является заниженной [б, 15} . .

На примере изменения ^у , зарегистрированного при ашдоражива-нии песков на шахте' "Нелидовская", видно, что в первой день его значение составляло .1435 Вт/ы2. При этом перепад температур между. прямым и. обратным хладокоситалем составил 2,2 К; с течением временй он уменьшался,стабилизировавшись до 1-0,9К ,через 13 суток После начала

- и -

ааморр.живания. Вследствие этого.уменьшилась плотность теплового .потока к замораживающим колонкам, достигнув 587-652 Вт/м2. Такая динамика характерна не только для замораживания горизонтальными колонками , но вообще для процесса замораживания, так как по мере роста

• ледопородного. ограждения увеличивается его термическое со>'ч.отивлэ -ни'е, а ^ соответственно уменьшается. Таким образом, его качественная характеристика во всех случаях остается неизменной, отличие ссс-

, тбит тпгаъ я коЛйчэсТйён'Ной'оценке. '

В результате проведенных исследований- получена формула, позволяющая определять среднее значение плотности теплового потока к горизонтальной замораживающей колонке за время активного замораживания (Вт/м2): ,

' , (г)

; « ■ ... . -

, Где В3 - диаметр расположения замораживающих колонок, м. ' . Анализ формулы (3) покаёывает, что" значение <£у для'подземного замораживания в условия* ПодмоОковного угольного бассейна при'

в -30су* может быть.350-8X5 Вт/м**. Результаты шахтных экспериментальных' исследований показали, что среднее.значение плотности теплового потока к горизонтальной колонке за время активного за-моражйвани.т -^а — Я ~ 60,.2 ¿уг. изменялось от 407 до 703,2 Вт/м? при этом относительное отклонение экспериментальных значений от расчетных не превышало 5 %.

Полученные в результате этих исследований значения в 1,7 -2,7 раза превышает рекомендованные для проектирования..Объясняется это в о'сноняом том, что = 233 -!- ЯМ&г/пгпронести на замора-*

• кивание горйзонт.зльнммй колонками без достаточного обоснования из опыта проходки вертикальных стволов, где зпморяяивавлю подлежат соль-шие объемы 'Пород, что предопредоляет и большие сроки' замораживания.

При горизонтальных колонках объем замораживаемых пород ограничен- й,- как следствие.,' требуйтся меньшие сроки замораживания. Это приводит к тому, что на замораживание горизонтальными колонками'прихо-.дклея та ,ЦмЧвдьиая.чаегь .зашсииоотд пзмчпенпа во времени, ко-

" торая характеризуется., более высокими средневзвешенным! значениями. С увеличением срока активного замораживания,да« например, на шахте ■'"Западная" по организационным причинам, к моменту 'его -Окончания-при перепаде температур рассола' Тр » 0,4/ -0,5К значение плот,юс-и . теплового потока уменьшилось соответственно .до.333 - 232.Вт/м" и

приблизилось к рекомендуемым значения;.! ^ при проходке вертикальных стволов.

Величина коэффициента теплоотдачи от хладоносителя к стенке замораживающей колонка! Л имеет важное практическое значение при проектировании и расчете, процесса заморажиглния пород, она в значительной мере определяет срок активного замораживания и выбор хлздо-производительности замораживающей установки. Коэффициент теплопередачи зависит от характера двикеш.ш хладоносителя в замораживающей колонке, который в технологии заморашшания горизонтальными колонками согласно определенному числу РеШюльдса является ламинарным.

При лаг/шнарнам истечении яшдкости в трубах могут быть два режима неизотершческого движения: вязкостный и. вязкостно-гравитационный, для которых заколы теплоотдпчл существенно различны. Вязкостный рехан имеет место при значениях критериев 1^асгофд и Правд тля 'бг'Рг в'Ю5 I при больыпх значениях наступает вязкостно-гравитационный редким.1 При технологии замораживаний пород горизонтальными колонками из забоя проводимой выработки максимально возможное значение вг-Рг ~5'10* ь т,е. в ламинарном течении рассола в м&» -трубном пространстве существует вязкостный реши [13] . В случае же замораживания Пород вертикальными колонками с начала и до конца, процесса имеет место режим вязкостно-гравитационный. Поэтому рекомендуемые в техничоской литературе расчетные формулы для определения ОС неприемлемы для случаев замораживания горизонтальными колонками.

На основании проведенных исследований получена формула для определения среднего значения коэффициента теплоотдачи от рассола к стенке горизонтальной замораживающей колонки при его вязкостном режиме ламинарного течения (Вт/(1.1^ .К))

-л Г—кГ^-/ л

ОС - М, 68 Л/ Ц л^.а,.^ ("Ж/ ' "

где - коэффициент теплопроводности рассола, Вт/(м-К); Я/ - коэффициент температуропроводности рассола, м?/ч; V? - скорость рас- . сола в кольцевом пространстве колонки,м/с; - динамическая вязкость рассола, Па-с; /*сг -. вязкость рассола при температуре стенки колонки, Да*с; ¿< - средняя длина зайораяивающей колонки, м,.

Эта формула справедлива при . При'имеющих место

параметрах технологии замораживания горизонтальными'колонками

формулой (4) можно пользоваться до их значения ^ 86м . В диапазоне применяемых скоростей движения,рассола в. межтрубном прост -ранстве горизонтальной ;:олонкй ( = и их длин коэффи-

циент теплоотдачи изменяется в пределам от 75 до 195 Вт/'(м^- К) (ряс. Т.). ' - .

С1, ВтЛмЬО

и*3м

Рио.1. Изменение коэффициента' теплоотдачи от скорости движения рассола при различных длинах горизон тальянх замораживающих колонок

10 &

Я г$ 39 33

60 ве

0,10,13 0,2 0,3 032 м/с

Расчет Параметров "те;.шёратурног6 поля горизонтального дедопород-ного ограждения связан с определенной спецификой, в частности с отличающимися геометрическими параметраг,га, реттагом движения хлццоио-с'ителл, необходимостью учитывать влияние интерферешуш смежных за-мораашащих колонок [13^ .-Обычно проектная средняя температура замороженных пород определяется как полусумма средних температур в главной и замковой плоскостях кольцевого ледопородного ограждения, для чего необходимо знать их значения.

. Средняя..температур а пород в главной. плоскости (К) определяется по формуле'.

(5)

Ус/>.™. = Я» 7"сг I ■ Г

, ... £ .. ,

где "- внешний радиус замораживающей колонки,м; - поправочный коэффициент влияния интерференции смежных рамораяиваивдих колонок на формирование температурного поля п главной плоскости. Он'получен в результате обработки эксиорг,ментальных данных и определяется по эмпирической формуле

ки = (0,7 * 0,0 ее (i.ez + о,о о в tP] (о,76 + 9,апВ), (д) •

где tp - средневзвешенная температура рассола,°С;

Тст - температура стенки горизонтальной замораживающей Колонки, К. Она является основным параметром процесса образойания ледо-породного ограждения и определяет плотность теплового потока к'за- ■• моразшвающим ..олонкам • .

Распределение температур в ледяной зоне подчиняется; логарифмическому закону, однако взамковоп плоскости логарифлическая кривая с достаточной то.чиостью аппроксимируется уравнением прямой, Ее среднюю температуру (к) можно определить По (формуле:

Пр.». «» 0,5ТК (1+£а/£) , (Ö) . ;

где Тк - температура в точке пересечения замковой и осевой плос- ' костей.

Для подтверждения правомерности предложенных формул для расчета процесса образования ледойородного ограждения были проведены экс- 4 першлентальные исследования теплообмена в горизонтальных колонках, расположенных в кольцевом контуре методом ф-ипгкого моделирования и в шахтных условиях [б,13,1о] , Анализ сопоставления показывает хорошую сходимость опытных, величин с расчетными таких Основных пара. метров теплообмена как- ОС » 7ёг ,

Аналитические' исследования, моделирование и шахтные эксперименты процесса оттаивания горизонтального ледопородного ограждения показали, что время .наступления теплового равновесия на его границе (после чего начинается оттаивание) для условий Подмосковного бассейна составляет бколо Ю сут. Поэтому .при условии; когда время проходки сложного участка не превышает этого, срока, пассивное замораживание

необязательно, так как лёдопородноё ограждение сохраняет свои проч- . ностные свойства в'достаточной мера; Это можно контролировать по полученной корреляционной зависимости среднеинтегральной температуры горизонтального лэдопородноГо ограждения Tcfi.otr, от времени его оттаивания Torr. (К) . _______ . :

Ttp. отт, = 0,35АгСогт Tcfi. ; . •

Величина корреляционного отношения для полученной 'зависимости.... равна . При оценке вероятности гипотезы .о форме связи опыт-

ной кривой вычислялся показатель достоверности, который равен ^ =0,99.

Если же время проходки превышает время наступления теплового равновесия, то суточное время работы АПЗУ в режиме пассивного замораживания необходимо определять по формуле ( Ч. )

«Г - Ш.9(Тг-Тв}/лГсг уг

■ У, Р . (10)

где Лл - теплопроводность талых пброд,вТ/(м'К); с* - удельная теплоемкость талых пород, к Да/ (кг. К); у2 - плотнооть талых пород,кг/м?

В практике контроль процесса замораживания пород осуществляется замером либо температур входящего в колонки и возвращающегося из них рассола с фиксацией его количества, либо температур в зпморажнващих скважинах специальными датчиками с последующей обработкой полученных данных невыдачей прогнозных. контуров ледопсродного ограждения.

Эти способы контроля действительных размеров лздопородного ограждения' являются косвенными, ввиду чего усилия специалистов во многих странах, в том числе й в России, направлены на разработку прямого способа таких замеров....

Одним из физических свойств горных пород является иу способность проводить электрический ток, которая характеризуется либо удельной электропроводностью ^ , либо величиной, обратной ей, - удельным электрическим содрот})влелием р '. Электропроводность- пород в значительной мере зависит от степени влажности, минерализации влаги и температуры, влияние на нее изменения температуры проявляется «разу же поело перехода в область 0°С и ниже и особенно резко в' рыхлых оСводнешшх породах. Это физическое явление и использовано .впервые автором при разработке метода прямого контроля за проектной границей льдопорадйого ограждения посредством расположенного на ней датчика и системы автоматического управления Ш13У [з,7,1о,1?] ;

Анализ экспериментальных исследований зависимости электрического сопротивления пород .между электродам датчика от еэ температуры (рис.26) для наиболее характерных условий применения данной оологии, позволил установить качественные и количественные оценки этого .физического процесса и показал, что интенсивность изменения в 4-6 раз электропроводности замораживаемых обводненных пород при переходе, иэ одного их агрегатного состояния в другое позволяет осу -' ществлять прямой контроль за границей промерзания или оттливаиия [16,17] .

Опыт применения ППЗУ яа шахтах Подмосковного" бассейна вылвйл необходимость автоматизация управления всеми процессами технологи-

ческого цикла, что дает возможность отказаться от непрерывного обслуживания, повышает надежность- и оезопаснооть ее работы [1,2-, э] ♦ На основании проведенных исследований были разработаны основные : направления автоматизации Щ13У, се принципиальная схема, а также.рекомендованы необходимые приборы.и средства [з] ■

Реализация этих научных направлений.'н •конструктивных предложений позволила разработать техническое задание и рабочую документацию на целый ряд АПаУ [4,9,11,16^ .. Их эксплуатация-в шахтном строительстве показала, что.автоматизация Щ13У позволяет сократить'общее ... время образования ледопородйого ограждения на- 25-27 %, за счет уменьшения числа и тяжести отказов [1о } . При. этом вероятность беэотказ-^-но11 работы АДЬУ увеличилась в 34 раза, средняя 'наработка. на отказ - _ в 2,57 раза,коэ(14<ициапт готовности - в 1,37 раза,а среднее время . восстановления уменьшилось в 42 раза. Высвободилось 4 машиниста АЛЗУ.

фитсриями оптимизации процесса" заМорадоания являются- отключение А113У при достижении границы ледопорЬдного ограждения .проектного значения и включение М13У-в' режим пассивного'замораживания с помощью системы автоматического управланйя.[з,?,.1о,17^ . Она Осуществляй? регулирование хлэдопроизводительности По' самому экономичному способу "пуск-остацовка" путем автоматического управления электродвигателем . компрессора Зк через реле, датчик которого"установлен на. проектной границе лздопородного ограждения .(рис.2). ~ '•' , . '

Для работы АПЗУ'В автоматическом режиме слежения за ней нео.бхо- . димо выбрать величину уставки регулировочного резистора Црег, таким образом, чтобы. включение Ъ* . происходило в 'момент времени, когда 'температура в точке установки датчика достигнет 0°С,при этом-сопротивление породы между электродами, датчика'будет равно Цщкл.

Величины уставки регулировочного резистора, срнротнв'ления пород между электродами датчика в моменты включения -и отключения 2)к необходимо определять по предложенным, форадлагл ^16; IV ].' .

■ Врыдя от момента отключения Ьк ^у до момента включения Д» Ч. I

т.е. прихода границы ледодародного 'ограждения в проектное положение, по экспериментам составляет Л 'Г ® ? сиг'; '.-Е«Щ' ледопород-

ное огравдьние выполняет только^отивОряьтрадаойнне -функции, то .' АЛСУ может работать по .вышеприведенному дшеду. В том случае, - когда' -.: . оно рёсчитано на одраделзнную нагрузку и средние -температуры' за вр'е-мя АсС . по формуле (9).. превышает предельно допустимые, ¿о автоматики АГ13У до;г-ы.а бы^ь запрограммирована на суточное время работа в «ас-. сивном режиме согласно форедлн (Ю), • '-',' ' : -"•'' "■-••'-.' '

Рис.Гр&фйки изменения хладопроизво-

дительности по способу "пуск-остановка"

а-характеристика исполнительного рел.э| б-завнсимосгь электрического сопротивления замороженной поподи Я* между электродами датчика от её температуры Т (1-плас-

• товая-вода с сухим остатком 233 мг/л; 2-глина.влаж-,ностьУ=о($; 3-посчано-глиш1'с1 иё породи,ж =30«); о-гра^-ик изменения электрического сопротивления.пород между"электродами датчика и работы компрессора во времени' (.'Тч,%0, соответственно время цикла, останов к и и работы .компрессора эаиераживайщой установки;*^.. - моменты включения и отключения электродвигателя . -компрессора).--.— ......

По результатам проведенных исслёдовглгаА разработана номограмма для определения. параметров оптимизации процесса замораадшашш (рис.3)-.

Рис.3. Номограмма для определения параметров оцтимйзаци" процесса замораживания пород

Шахтные исследования в-Подмосковном.бассейне и ЧССР показали работой способность предложенного способа'и достаточно высокую точность поддержания лэдопородного ограждения в проектных параметрах'(* 3 %} [17];.

В процессе проведения исследований и внедренческих работ пос- ' тоянно велось соьершенств'овацие методов и средств пбдземного замораживания из забоя проводимой-выработки, а также расширение .области применения этой-прогрессивной технологии [ю,1й] .

^Шрокое внедрение усовершенствованной технологии заноражлвзния

пород горизонтальными колонками £1,2,8,9,10-1-Ыо] показало,что только от автоматизации процесса удельная'стоимость специальных работ сокращается на 29-33, о $ в зависимости от д.инщ заход;лг замораживания, а общее сродиевзешошюе ее Бначенио ао показателя}.! шахт Подмосковного бассейна уменьшилось в 1,03 раза (рис.41.

0, ыс.т

7,0 ел

5,и 4.0 3,0 2.0 1,0 0

*— — * А

—- —

г-

- -><_ ■ л

и

■ 1. • 1

10 ЭД 30 Щ 50 60 I,

Рно.4-- Зависимости стоимости 1 п горизонтальной выработки по специальный работам С от длани завораживаемого участка ¿ ; Х-заморамивашм пород вОут-икиЛь-• ними колонками, залсх.-.шшми с Зим-ной поверхности: 2-замораживанио пород ^опийоич-ильннмл колиНииШ «о забоя проводимой вираоо1Кн;&-усо-вершенствованная технология замораживания пород горизонтальными колонками.

Общий подтвержденный прямой экономический -эффект от внедрения усовершенствованной технологии замораживания пород горизонтальными колонками-на-шахтах'отрасли соотавил бйлее 1,9 млн.руб (в цепах 1985-г.). На эту технологию .продана в'ЧССР лицензия стоимостью 1,1 млн.руб..которая била реализована при проходке наклонных стволов шахты Годонлн I" в 19131-1962 г.г.

Ь А. К Л Й Ч Е II ИЕ

В диссьр-мции, в форме научного доллада дыю ноиое рбдоьво ж-.уч-ной задачи тбо;ч*гнч<*окого я экспери.' ишташк>го обоснования и разработки уиовершонс'] ьошшноЯ технологии замораживания вород горязснгдть шжи колонками с лршокением АЛ5У, ооесничшшмчеИ пови&онив -тиьности сооружения выработок в особо слошшх гидрогеологических: условиях. -

О-зновныа научные и ¡фактические результаты работы зпклычаытсл в 'следующем: .... . ..

I. Доказано, что эйектйвность ведения работ на сопряжении "Пройденная выработка - замороженный массив" обеспечивается рациональными вариантами компенсации теплонритока к забойной части. Разработаны и реализованы технологические принципы и'варианты зачоке-. ния основны-.] идополнительных зашраживаюцих. коленок, обеспечиваю-¡вде проектные параметры горизонтального ледопорлдного ограждения.

2. Установленное двухкратное, превышение скорости промораживания ада над скоростью промерзания пород во внешнюю область р'т. кольца расположения колонок и обоснованные'геометрические параметры их заложения предопределяют возможность образования сплошных массивов в

сечении выработок,характерных для шахтного строительства.

■ 3. Выявлен вязкостный репам ламинарного течения хладоносителя в кольцевом пространстве горизонтальной замораживающей колонки, ко- • торий в отличие от вязкостно-гравитационного режима в вертикальных колонках,имеет существенное различие в закономерностя-' Изменения процесса теплоотдачи.- ' ,

4. Предложен способ, разработаны средства прямого и оперативного контроля за проектной границей ледопородиого ограждения на основа-: нии тенденции-изменения в 4-8 раз. электропроводности водоносных пород при переходе их из.одного агрегатного состояния в другое.

5. Выявленные закономерности формирования горизонтального ледопородиого ограждения позволили ооосновать, установить или скорректировать рцд его-основяых технологических,теплотехнических и электрических параметров. Реализованные на практике методы их определения в сочетании с рекомендациями по.некоторым параметрам других исследователей обеспечивают на научной основе, комплексное' решение за- ■ дачи по -рациональному проектированию и расчету процесса зймораяшва-ния пород горизонтальными колонками. . -

3. Установлено,что оптимизация процесса образования горизонтального ледопородиого ограждения обеспечивается совокупной работой А1ШУ

и средств прямого контроля за его проектной границей. Только за счет повышения ьадоншости. работы АПЗУ реальное время активного замораживания сокращается на &5-27 %, высвобождается. 4 человека оо.служиваю- . щего персонала, удельная стоимость спецработ снижается'на 29-33,о %. Общее же её значение при усовершенствованней технологии сокращается в 1,8а раза. .. -

7. Научные результаты и практические рекомендации вошли в "Руко-. -водство по технологии проведения и■перекропления горных выработок с применением подземных передвижных замор&'/лвадцих установок",утвержденное Техническим управлением Шьу'глепрогла СССР и-.вош.едшие в "Перечень' отраслевых нормативных документов и руководящих материалов по • вопросам проектирования предприятий угольной ыромы^еляооти (л. 6.2. 4.4, М., 1934 г.). ■- ■

. На основании проведенных исследований разработаны ТЗ на АПЗУ и рабочая документация'на изготовление-установок различно!! хладояро-

»

взводителыюсти и компоновки.

8. Технико-экономическая оценка усовершенствованной технологии замораживания пород х^рлзоиталышми колоншли позволяет p<3i:otK>irv.,~ вать ос для создания .подземных объектов различною пазпачонил в ссо-■бо оложлйх: гидрогеологических условиях.'

Только подтвер::щэшшЛ прямой экономический 8»|&;г от рдоодонря ' итогов и рекомендаций на кгатпх отрасли составил белее 1,9 ган.рг*.

i «ализовано лицензионное соглашена.} с ЧССР на право и «ольроэи-ния усовершенствованной «ехдолохчш замораживания пород х'ормзонгаль-юоти колонками с ¡ыпольровзшмм ЛНДУ стоимостью 1,1 ичн.руй.

Основное содержание диссертация опубликовано в слодушах работах автора : .

1. Гадчоку п В;Н. (К^'човн ф. а. Oö"'3W4ne оп»тг>. ипи'ччнчнщт

пнх замораживающих установок на шахтах Подмосковного угольного сас-. ceijim // Проведение горных выработок в условиях слошой гипсометрии и неустойчивых боковых пород Подмосковного бассейна: Сб.научн.тр./ Ш'Д им.Скбчпнского,ПШШ1 - М. ¡Недра - 1972. - Внп.15 - с.25-31. ч

-г • *

2. Гёлескул В.Н.,Карасей Ф.А.' Проведение горных наработок при помощи подземных передвижных замораживающих установок// Уголь. -

. 1975. - 6 - с.33-34. '

'3. Гелескул В.Н. «Карасев ф.А. Автоматизация подзепнцх П"редвшс-них здшрэют-'одпх установок // Механизация и сштсттиз'-шм процессов добычи угля на шахтах: Сб.япуш.тр. / 1ТЛ им. Д.Скот,такого, ГИШИ. - М..: Недра. - 1Э76. - Вин. 17 - C.I07-II3.

4. Гелескул В.И.,Карасрв ф.А. Подземная передгаплаа 8зшрвжявпи-шая установка // IUI 0018-77. - М., ЦНИЭИуголъ - 1977 (1.2.

5. Гелескул В.Н. Влияние теплопритока к торге горизонтального ледонеродного ограздеиия на процесс его формирования // Добыча угля подземным способом / ЦННЭИуголь-. - М. - 1978 - Вии.Э (104) - 4 с.

6. Гелескул В.Н. Тегоюпередащяя способность зячораживающей колошей при горизонтальном замератавашш // Добыча угля подземным способом / ЦШ1Э;Ъ'г0ль. 1973 -.Blhi. 8(104) - 7 о. ...

.7. A.c. 807716 СССР, 1Ш Е 21 Д I/I2, Е 21 Д I'/l4. Устройство управления процессом замораживания горних пород / В.Н.Гелескул, " i-.Л.Карасев,3.Э.Пркб. СССР - ,'S 277320. Заявлено 2I._06.79. Открытой публикации не подлежит.

' 8. Гелескул В.Н. Упрочнение вмещающих пород и угольного «ласта на шахтах Подмосковного бассейна // Добыча угля подземным способом/ ■ ЩИЭИуголь - Ц. - 1980 - 'л 3 - С.23-24.

9. Гелескул В.Н. .Дштриенко С. С. .Карасев ф. А. Специальные спо- • сооц проведении, и поддержания выработок при ведении горных работ

на шахтах Подмосковного бассейна: Обзор /цШ1ЭПуголь.-Ц.-1981- 23 с. '

10. Гелескул В.Н..Суханов в.С.,Савкин В.А. Совершенствование способа подземного замораживания пород // Вопросы разработки угольных пластов Подмосковного бассейна / Со.науч.тр. ИГД им.А.А.Скочинского, Ш1Ш1 - Тула - 1985 - С. 45-49.

11. Гелескул В.Н. «Дштриенко С.С. Комплекс оборудования для подземного замора-кивания пород плывунного типа £0113) ИЛ й 05-72 - Тула, ЦНТИ ="1935 - 2 с.

12. Гелескул В.Н.,Суханов B.C..Савкин В.А. Расширение ослаоти применения технологии подзумного замораживания пород // Совершенствование техники и технологии разработки угольных пластов Подмосковного бассейна: Сб.научи.Тр. / ИГД им.АгА.Скочпнского.ПНИУИНовомосковск - 1983, С.55-32.

13. Гелескул В.Н. Рожш и параметры циркуляции хладоиоситвля в горизонтальной замораживающей колонке // Техника и технология разработки угольных пластов Подмосковного бассейна; Об. науч.тр. / ИГД' им. А.А. Скочинского, ШПУИ, - Тула - 1937. - С. 37-45.

14. Гелескул В.Н. Баморалсиванце пород при проведении выработки .в слоших'гидрогеологических условиях // уголь. - 1988. - й 4 -

С, 20-23.

15. Гелескул В.Н. Образование сплошного ледопородного массива контурными забойными замораживающими колонками // Шахтное строительство..- 1988 - JS 4 - С.20-22. ~ *

16. Потапенко В.А. и др. Проведение и поддержание выработок в . неустойчивых породах // В.А.Потапоако,Ю.В.Казакский,Б.В.Циплаков, В.Н.Гз'лвскул,ф.А.Карасев,В.М.Суровский,Ы.А.Козлов. - М-: Недра, -IS90. - ЗЗо с. '

17. Гелескул В.Н. Исследование электропроводности горных пород для автоматизации.процесса их замораживания // Совершенствование . техники и технологии ведения горных работ на шахтах Подмосковного бассейна: Со.науч.тр. / ИГД им.'А. А.Скочинского, ШПУИ. - 'Гула - • 1990. - С. 94-102.