А.В. Угляница Сооружение горных выработок в сложных горно-геологических условиях

П Р Е Д И С Л О В И Е

Методические указания к составлению курсовой работы “Сооружение горных выработок в сложных горно-геологических условиях” составлены в соответствии с учебным планом и рабочей программой курса “Шахтное и подземное строительство” для студентов специаль-

ности 090400.

Курсовая работа посвящена проектированию специальных способов строительства при сооружении вертикальных стволов шахт.

Вданных методических указаниях рассмотрены вопросы проектирования замораживания обводненных неустойчивых наносов при сооружении устьевой части вертикального ствола и предварительной цементации обводненных трещиноватых пород при проходке его протяженной части.

Вслучае принятия в курсовой работе других специальных способов сооружения стволов необходимо согласовать с руководителем курсовой работы отступления от методических указаний, перечень рассматриваемых вопросов, графический материал и т.п., а также получить от него список дополнительной литературы.

При выполнении курсовой работы студент должен использовать материал практических занятий по дисциплине, учебники, технологические схемы, нормативные документы, учебные пособия и научнотехническую литературу по специальности, которые указаны в настоящих методических указаниях. При этом для облегчения работы в указаниях приведены дублирующие литературные источники. Для решения поставленной задачи достаточно использовать один из указанных источников. По возникающим непонятным вопросам студент должен консультироваться у руководителя работы в отведенное для этого время. Расписание консультаций вывешивается на кафедре.

2

ОФОРМЛЕНИЕ РАБОТЫ

Курсовую работу оформляют в виде пояснительной записки.

В пояснительной записке излагают обоснование принятых технических решений, делают расчеты, предусмотренные методическими указаниями, описывают технологию и организацию работ, приводят основные технико-экономические показатели. В состав пояснительной записки входят: титульный лист, бланк задания на проектирование, оглавление, введение, текст с разбивкой на главы и параграфы согласно требованию данных методических указаний, поясняющие чертежи или рисунки, список использованной литературы.

Пояснительную записку набирают на ПЭВМ в текстовом редакторе Microsoft Word 6,0 или последующих версий с распечаткой на стандартных листах формата А4 (210 × 297 мм). Набор записки в среде Microsoft Word производят со следующими установками.

1. Параметры страницы: верхнее - 25 мм; нижнее - 20 мм; левое - 30 мм; правое - 10 мм; колонтитулы от края - 1,25 мм; ориентация - книжная (допустима альбомная ориентация для отдельных страниц с таблицами).

2.Шрифт - Times New Roman Cyr, размер шрифта 14, межстрочный интервал - одинарный, перенос слов в документе - автоматический.

3.При вставке формул следует использовать Microsoft Equation при следующих установках: все элементы формулы, кроме символов, выполняют курсивом; для текста назначают фонт (шрифт) Times New Roman или Times New Roman Cyr (при использовании в формулах букв русского алфавита), для греческих букв и символов - фонт Symbol, для остальных элементов - фонт Times New Roman. Размер базовых символов формулы (суммы, интегралы и проч.) - 18, строчных - 16 и всех остальных - 12 пт. Нумеровать следует формулы, на которые приводят ссылки по тексту.

Рисунки по тексту следует изображать с использованием компьютерной графики в среде Microsoft или выполнять вручную.

При невозможности набора текста записки на ПЭВМ допускается написание текста пояснительной записки черными чернилами (пастой). Записка должна быть написана разборчиво, грамотно и аккуратно.

Пояснительную записку оформляют в соответствии с требованием

[1].

3

СОДЕРЖАНИЕ КУРСОВОЙ РАБОТЫ Введение

В данном разделе дают обоснование принятым техническим решениям, приводят основные технико-экономические показатели по проекту, в сравнении с лучшими результатами отечественной и зарубежной практики.

1. Расчет процесса замораживания обводненных неустойчивых пород при сооружении устьевой части вертикального

ствола шахты

1.1. Расчет нагрузки на ледопородное ограждение

Расчетную горизонтальную радиальную нагрузку на ледопородное ограждение в обводненных малосвязных породах определяют отдельно для каждой литологической разности пород как сумму горного давления пород и гидростатического давления подземных вод [2, с. 232; 4, с.

185 ].

На основе расчета строят график распределения нагрузки по глубине ледопородного ограждения.

1.2. Расчет толщины ледопородной кольцевой стенки

Минимально допустимая толщина ледопородной стенки (E) зависит от величины горного давления и прочностных свойств замороженных горных пород. В зависимости от глубины залегания замораживаемых пород (H) толщину кольцевого ледопородного ограждения рассчитывают отдельно для каждой замораживаемой породы по уравнениям Ляме-Гадолина или Домке [4, с. 187; 5, с. 172; 6, с. 152; 9, с. 58 ]. Для дальнейших расчетов принимают большее значение (E) с учетом соблюдения условия E ≥ (1,0-1,2) м.

1.3. Определение размеров ледопородного ограждения

При толщине ледопородного ограждения (E) до 5 м принимают однорядное расположение замораживающих скважин. Определяют диаметр окружности центров замораживающих скважин (DСК) в зависимости от толщины ледопородного ограждения (E), диаметра ствола вчерне (DВЧ) и допустимой максимальной величины отклонения сква-

4

жины от проектного положения (a) [4, с. 152; 5, с. 176; 6, с. 208]. Определяют диаметр ледопородного цилиндра вокруг скважины (D), наружный (DН) и внутренний (DВ) диаметры ледопородного ограждения с учетом максимально допустимого отклонения скважин (a) [9, с. 249].

1.4. Определение количества скважин

Количество замораживающих скважин определяют по формулам [4, с. 158; 5, с. 176; 6, с. 208]. Количество термонаблюдательных скважин принимают не менее 10 % от числа замораживающих скважин. Количество гидронаблюдательных скважин принимают по числу изолированных водоносных горизонтов [5, с. 176; 4, с. 152-153; 6, с. 202-203]. Принимают схему соединения замораживающих колонок [4, с. 147148]. Приводят схему расположения скважин, на которой изображают ледопородное ограждение, план расположения скважин и продольный разрез по гидронаблюдательным скважинам со стратиграфической колонкой.

1.5. Расчет холодопроизводительности замораживающей станции

Расчет производят в такой последовательности. Определяют необходимую холодопередающую способность замораживающих колонок [4, с. 193; 5, с. 177, 6, с. 159]. При этом удельный тепловой поток определяют по рекомендациям [4, табл. 4.17; 5, табл. 4.6; 6, табл. 4.6], а коэффициент теплопроводности замороженной породы принимают согласно рекомендациям [7, с. 265].

Определяют холодопередающую способность замораживающей станции по величине холодопередающей способности замораживающей колонки с учетом теплопотерь в сетях [4. с. 194; 5 с. 149].

1.6. Выбор оборудования замораживающей станции

Выбирают тип компрессора по величине холодопередающей способности замораживающей станции. Определяют рабочую производительность компрессора. Зная расчетную холодопередающую способность замораживающей станции и рабочую производительность компрессора, определяют количество рабочих компрессоров [4, с. 122-124,

195; 5, с. 151].

5

По величине рабочей производительности компрессора определяют рабочие поверхности конденсатора и испарителя и выбирают их тип и количество. При этом для каждого компрессора устанавливают отдельный испаритель и конденсатор [2, с. 235; 4, с. 126-132, 195; 5, с.

151].

Приводят схему компоновки замораживающей станции с указанием расположения, взаимосвязи и марок основного оборудования. При этом количество компрессоров в замораживающей станции определяет количество контуров циркуляции хладагента в станции. Конденсаторы и испарители в контуре соединяют последовательно. Все испарители, как правило, помещают в один рассольный бак [4, с. 119; 5, с. 160; 6, с.

172].

1.7. Определение времени замораживания

Последовательно рассчитывают количество холода для охлаждения воды от естественной температуры до температуры замерзания, для замораживания воды, для охлаждения льда и породного скелета до средней температуры замораживания. Определяют суммарное теплосодержание каждой породы q в зоне замораживания [4, с. 191-192; 7, с. 206-207].

Определяют время образования ледопородной стенки для каждой породы по ее теплосодержанию в объеме кольцевой ледопородной стенки Q0, теплопритока из окружающих пород QТ и мощности замораживающей станции QК [4, с. 195; 9, с. 249]. Принимают в дальнейших расчетах большее значение времени замораживания.

1.8. Расчет диаметра рассолопровода и выбор рассольных насосов

Рассчитывают количество рассола циркулирующего в сети в единицу времени W. Определяют внутренний диаметр рассолопровода dР [9, с. 133, 257]. Выбирают трубы для рассолопровода согласно ГОСТ 8732-70 “Трубы стальные бесшовные”.

Выбор рассольного насоса производят по его производительности QН = W и напору PН [11, с. 321]. Так как в задании на курсовую работу не указана длина рассолопроводов, то в проекте можно принимать напор насоса PН = 0,2-0,3 МПа.

6

1.9. Расчет количества воды, циркулирующей в системе, и выбор водяных насосов

Расход воды, подаваемой в конденсаторы, определяют расчетом [4, с. 196]. Расход воды на охлаждение цилиндров компрессоров принимают по паспортным данным компрессоров [4, с. 124; 11, с. 324]. Определяют общий расход воды, циркулирующей в системе. Выбирают тип и количество водяных насосов [11, с. 321].

1.10. Календарный график работ по замораживанию пород

График определяет продолжительность оснащения для замораживания, в том числе бурение скважин, активного и пассивного режимов замораживания и время демонтажа оборудования и ликвидации скважин.

Продолжительность оснащения принимают равной нормативной согласно [12]. Продолжительность активного замораживания определена в разд. 1.7. Продолжительность пассивного замораживания определяют как сумму продолжительностей проходки технологического отхода ствола, оснащения ствола после проходки технологического отхода (1,5-2,5 мес.) и проходки протяженной части ствола по замороженным породам. При этом нормативные скорости проходки технологического отхода ствола и его протяженной части по замороженным породам принимают согласно [13].

1.11. Расчет режима работы замораживающей станции в пассивный период

Определяют продолжительность работы компрессоров замораживающей станции в сутки для компенсации величины земного теплопритока к ледопородному ограждению в период проходки ствола по замороженным породам [3, с. 193].

1.12. Расчет стоимости работ по замораживанию горных пород

Рассчитывают в табличной форме по сборнику ЕРЕР № 35 стоимость бурения замораживающих и контрольных скважин, установки и опрессовки замораживающих колонок, спуска в колонки питающих труб, установки и снятия головок с колонок [14].

7

Определяют эксплуатационные расходы по содержанию замораживающей станции в активный и пассивный периоды согласно методи-

ке [7, с. 313].

Определяют полную стоимость замораживания горных пород как сумму перечисленных затрат.

Полученная сметная стоимость рассчитана в ценах 1984 года. Для определения фактической стоимости она должна быть умножена на переходный коэффициент, действующий в данный период.

2. Расчет процесса предварительной цементации горных пород

Предварительную цементацию обводненных трещиноватых пород следует производить по технологии КузНИИшахтостроя [15] из забоя ствола после его проходки по замороженным породам.

2.1. Определение основных параметров цементации

2.1.1. Расположение, количество и длина цементационных скважин

В зависимости от диаметра ствола в свету DСВ принимают диаметр окружности расположения цементационных скважин в сечении ствола DС, количество цементационных скважин N и очередность их бурения и цементации [15, с. 14, 28]. Длину скважины L принимают равной суммарной мощности водоносных горизонтов. Приводят схему расположения скважин в сечении ствола.

2.1.2. Определение концентрации цементного раствора

Определяют удельные водопоглощения подлежащих цементации горных пород. При этом величины удельных водопоглощений водоносных горизонтов для первой скважины (q1) представлены в задании на проектирование. Ориентировочные значения удельных водопоглощений на последующих скважинах после цементации пород через предшествующие скважины (qi) определяют из выражения

8

qi = qN1 (N+ 1− i),

где i - номер скважины согласно очередности их цементации. Результаты расчета удельных водопоглощений представляют в

табличной форме.

Интервалы глубины Удельные водопоглощения пород по скважинам по водоносным (qi), м2/с Па

горизонтам,

м1 скв. 2 скв. 3 скв. 4 скв. i скв. N скв.

Концентрацию цементного раствора (Ц : В) определяют по величине удельного водопоглощения горных пород (qi) [7, с. 94; 15, с. 17, табл. 5.1]. Результаты определения концентраций цементного раствора по скважинам представляют в табличной форме.

2.1.3. Определение радиуса распространения цементного раствора вокруг скважины

Величину радиуса распространения цементного раствора R вокруг скважины определяют графически с таким расчетом, чтобы вокруг проводимой выработки образовалась цементационная завеса толщиной не менее 3 м [15, с 14; 17, с. 13]. Приводят графическое определение радиуса цементации вокруг скважины.

2.1.4. Определение давлений нагнетания цементного раствора

Рассчитывают начальное давление нагнетания P0, обеспечивающее проникновение цементного раствора в устья вскрытых скважиной трещин [15, с. 19; 17, с. 20]. При получении значений P0 < 0,05 МПа с целью обеспечения непрерывности потока раствора в скважине следует принимать P0 = 0,05 МПа.

9

Определяют максимально допустимые конечные давления нагнетания Pmax для каждого водоносного горизонта по фактору исключения гидравлического разрыва пород [7, с. 95].

Рассчитывают конечные давления нагнетания PK на первой скважине по водоносным горизонтам для всех возможных концентраций цементного раствора [15, с. 20; 17, с. 13]. Результаты расчета представляют в табличной форме.

Рассчитывают конечные давления нагнетания PK на последующих скважинах [15, с. 21; 17, с. 14]. При этом концентрации цементного раствора (Ц : В) и величины удельных водопоглощений q1 и qi, по скважинам принимают по данным разд. 2.1.2.

При получении значений PK > Pmax с целью исключения гидравлического разрыва пород следует принимать PK = Pmax. Результаты расчета конечных давлений нагнетания по скважинам представляют в табличной форме.

м1 скв. 2 скв. 3 скв. 4 скв. i скв. N скв.

2.2.Выбор оборудования

Цементационный насос выбирают по максимальной величине конечного давления нагнетания PK [16, с. 300, 18, с. 154]. Растворосмеситель для приготовления цементного раствора принимают объемом не менее 1 м3 [18, с. 137]. Побудитель для накопления готового цементного раствора принимают объемом в 3-4 раза больше объема растворосмеси-