Метод замораживания
История горнодобывающей промышленности хранит множество забытых технологий
Некоторые остались только в теории, другие дошли до стадии опытно-промышленного производства. А многие, не получив широкого применения в угледобыче, все же использовались в иных направлениях горного дела. Один из таких редких способов — сооружения стволов шахт способом замораживания, который использовался как в СССР, так и за рубежом — Германия (шахта Августа Виктории, Валзум (Рур), Бельгия (Беерингене), на медном месторождении Любин в Польше.
Для сооружения шахтных стволов в неустойчивых обводненных горных породах было разработано несколько способов.
С применением металлического шпунтового ограждения, когда предварительно ограждался шахтный ствол замкнутым контуром из шпунтин, погружаемых вибропогружателями (вибромолотами), и подмывом, с последующей выемкой пород и креплением в огражденной зоне обычным способом.
Способ искусственного понижения подземных вод, заключавшийся в сооружении вокруг ствола специальных дренажных выработок и в откачке из них воды.
Способы предварительной цементации (с поверхности земли всего участка водоносных горных пород, из забоя ствола с одного горизонта, из забоя ствола с различных горизонтов отдельными заходками) — в создание водоизоляционных завес вокруг ствола нагнетанием цементных растворов.
Химические способы упрочения неустойчивых грунтов — нагнетание в грунт химических растворов, вступающих во взаимодействие друг с другом и с окружающей породой и образующих изоляционную завесу.
Но в основном они были малоэффективны и требовали больших трудозатрат. Наиболее доступным стал способ проходки шахтных стволов с предварительным замораживанием горных пород, который использовался и в угледобыче.
Если не вдаваться в подробности, то коротко и поверхностно: в водоносных неустойчивых породах вокруг места расположения будущего шахтного ствола создавали временное ледовое ограждение, защищающее ствол от проникновения в него воды или плывуна во время его проходки; осуществляли выемку горной породы в замороженной зоне; выполняли крепление шахтного ствола. Наибольшие скорости проходки стволов были достигнуты на ныне закрытых шахтах «Западно-Щекинская», «Дорогобужская» Подмосковного угольного бассейна. В советское время было немало научных работ на эту тему, выдавались патенты. Азотное замораживание успешно применяли на проходке верхней части ствола шахты им. газеты «Социалистический Донбасс», в нижней части наклонного ствола шахты «Березовская» (Мосбасс). верхней части ствола и вентиляционного канала шахты им. Баранова (Донбасс).
Однако этот способ имел ряд недостатков. Во-первых, после окончания срока заморозки поступления вод в ствол возобновлялись и часто достигали величин, недопустимых СНиП, что требовало дополнительных затрат по их устранению.
Во-вторых, требовалось повышенное крепление шахтного ствола. В основном приходилось применять тюбинговую крепь, что являлось трудоемкой и дорогостоящей операцией. Поэтому позже этот способ все же активнее использовался на калийных рудниках и в метрострое.
В 20-х годах XX века и в Кузбассе пытались развивать эту технологию. Она использовалась на Щегловских шахтах №1 и №2 Кемеровского района в Кузбассе, где обе шахты были намечены к закладке в условиях проходки через речники, насыщенные большим количеством воды и расположенные на глубине примерно 45 м от поверхности земли, мощностью до 10 м.
Метод прохождения шахт в слабых и плывучих породах с применением искусственного замораживания пород приобретал все большее значение, так как считался наиболее совершенным, обеспечивающим успешное прохождение шахт в наиболее сложных случаях. Между тем руководств, достаточно полно освещающих этот вопрос, в СССР не было. Учитывая это, а также необходимость в период гигантской стройки новых шахт в таком руководстве для широких кругов инженерно-технических работников каменноугольной промышленности Томское отделение Научно-исследовательского угольного института «Кузбассугля» решило издать в виде отдельной книги работу горного инженера И.П. Ветошкина, которую мы вкратце и представим.
Автор отмечал, что способы проходки шахт весьма разнообразны, и выбор способа для каждого конкретного случая зависит прежде всего от характера пород, через которые проходит данная шахта, а также от наличия воды в них. При этом необходимы специальные способы проходки, применяемые в тяжелых условиях, когда шахта ведется через породы слабые, неустойчивые, или сыпучие, плывуны, а также — через устойчивые породы с большим содержанием воды. Самым старым методом в этих случаях был метод забивкой крепи. Позднее начали применять также опускную крепь. Но иногда применение этих способов встречало затруднения, и это особенно сказывалось, когда слой породы, подлежащий проходке специальным способом, был весьма значительной мощности или лежал глубоко от поверхности земли.
В этих случаях нашел применение и способ проходки замораживанием в условиях неустойчивых пород, содержащих большое количество воды, залегающих на большой глубине. Решающую роль в выборе способа проходки играла надежность в успехе проходки и стоимость ее.
В основном процесс проходки шахт замораживанием делится на четыре главных фазы: бурение, собственно замораживание, проходка и крепление шахты в замороженной зоне, оттаивание.
Бурение при проходке шахт способом замораживания — один из самых важных процессов. Главное условие, которое строго должно соблюдаться при производстве работ по бурению, — необходимость сохранения заданного направления скважины, которое обычно вертикально. При значительном отклонении скважин от вертикального положения увеличивается расстояние между соседними скважинами и, чем скважины идут глубже, тем это расстояние будет значительнее. И может наступить момент, когда замерзшие цилиндрики двух соседних скважин не сомкнутся и не получится сплошного замершего цилиндра вокруг шахты, что и может повести к прорыву воды во время проходки.
Как правило, при проходке шахт методом замораживания применяется ударное бурение, с применением для подъема штанг и обсадных труб паровых или электрических лебедок. Бурение скважин производится при помощи станков. Быстродействующие ударные станки делают от 60-70 ударов в минуту. Для удаления из скважины буровой грязи применяются насосы.
Промывание скважин проводят глинистым раствором, который как бы цементирует стенки скважин.
В других случаях бурение осуществляется при помощи оборудованных станками передвижных вышек, которые двигаются по пяти рельсовым путям, концентрически окружающим место проходки шахты и прочно уложенным на бетонной подушке.
После того как все буровые скважины бурением закончены, приступают к оборудованию их замораживающими трубами, служащими для циркуляции охлаждающей жидкости.
В каждую буровую скважину вводятся две колонны труб — внешняя и внутренняя. Внутренняя колонна труб служит для введения свежей охлажденной жидкости к забою скважины, а внешняя — для подъема отработанной жидкости на поверхность. Во всех случаях наибольшее охлаждение желательно иметь ближе к забою буровой скважины.
Испытание делается гидравлическое, обычное, как и во многих других случаях.
После того как оборудование буровых скважин закончено, замораживающие трубы присоединены к холодильной установке, приступают к введению замораживающей жидкости. Выбор замораживающей жидкости зависит, главным образом, от глубины шахты и температуры, при которой необходимо вести процесс замораживания. Она не должна не только замерзать, но даже отвердевать. Жидкость не должна также иметь склонности к образованию осадков. Кроме того, она не должна разъедать трубопровода и насосов и быть, насколько это возможно, дешевой. Большей частью в качестве замораживающей жидкости употребляют раствор хлористого кальция и раствор хлористого магния.
Раствор хлористого кальция дороже раствора хлористого магния, но он хорошо пригоден для охлаждения до более низких температур, так как остается жидким еще при -50°. Раствор берут обычно 30-процентной крепости. Когда необходимо понизить температуру затвердевания еще ниже, в раствор хлористого кальция добавляют алкоголь. Самая низкая температура раствора достигается, когда раствор заменяется чистым алкоголем, который замерзает только при -112°С.
Принцип замораживания — один, разница только в химическом составе, который выбирается для охладителя и охлаждающей жидкости. В качестве производителей холода берут главным образом, аммиак и углекислоту в жидком виде.
Выбор производителя холода зависит главным образом от необходимой конечной температуры замораживающей жидкости: для температур до -26°С применяют аммиак, а для температур более низких — углекислоту.
Как только замерзшая стена сомкнулась, вода, не вышедшая наружу и вытесняемая вследствие образования замерзшего пространства, будет равномерно подниматься в скважине, находящейся внутри круга замораживающих труб. Вскоре после этого можно будет приступить к проходке самой шахты. К этому времени шахта не должна быть заморожена до середины по всей вертикали и даже на нижнем горизонте. Вполне достаточно, если замерзшее кольцо кругом закрыто и своим нижним концом находится в сухой водоносной породе. Проходка, естественно, значительно облегчается и удешевляется, если возможно будет вести работу до более глубокого горизонта в незамерзшем грунте.
Проходка шахты в замороженной породе ведется обычными способами, но с рядом особых предосторожностей. Предпочтение отдается проходке вручную или в комбинации отбойных молотков с механическими лопатами. При твердых породах, когда вручную проходка становится затруднительной, прибегают также и к взрывным работам, но с известными предосторожностями, чтобы не вызвать большого сотрясения замерзших пород и не нарушить их целости.
Обычные нитроглицериновые составы при процессе замораживания являются неподходящими из-за замерзаемости при сравнительно высоких температурах.
Вначале, при пользовании процесса замораживания для проходки шахт, в качестве взрывчатого вещества применяли исключительно обыкновенный черный порох. Позднее, правда с соблюдением известной осторожности, начали применять и другие взрывчатые вещества. Очень хорошие результаты дают взрывчатые вещества из группы аммоно-селитровых соединений, не отличающихся слишком сильным бризантным действием и обладающих в то же время тем преимуществом, что они не замерзают.
Температура в замораживаемых шахтах при обыкновенном способе бывает до -10°С, так что при работе в шахте еще нет особо неприятного ощущения холода. Но при применении метода охлаждения до более низких температур температура в шахте доходит до -30°С и ниже. Такие температуры уже действуют при работе неблагоприятно, и в этом случае рабочие должны быть предохранены от холода.
Устройство временного шахтного крепления при проходке шахт по способу замораживания, если это бывает вызвано необходимостью, ничем не отличается от устройства временного крепления в проходках обычным способом. В условиях проходки в твердых породах, в песчаниках, когда замерзшая кора стенок шахты не отделяется и не падает, зачастую проходку шахты оставляют без временного крепления, что совершенно не грозит опасностью. Иначе обстоит дело при трещиноватых, глинистых породах, когда отделение и падение замерзших кусков явление обычное; в этом случае временное крепление является обязательным. Временное крепление, конечно, не предотвращает опасности со стороны прорыва воды через слабые места в замерзшей стенке шахты. Наоборот, временная крепь в этом отношении как бы скрывает эту опасность, так как при ее отсутствии скорее можно предупредить опасность прорыва вод или замораживающей жидкости по выступающим на стенках шахты потемневшим местам.
Постоянное крепление в зависимости от того, служит ли оно для шахт, проходимых в сухих или водосодержащих породах, разделяется на две категории. В сухих породах задачей постоянного крепления, как в отношении прочности применяемого материала, так и его характера является сохранение стволом шахты его формы; в водосодержащих же породах крепление, помимо достаточной прочности его и плотности, предупреждающей просачивание воды, должно еще и противостоять разрушающему действию подпочвенных вод. Основные типы крепления следующие: деревянное, каменное, крепление бетонитами, бетоном и железобетоном, а также чугунное.
Наиболее распространенным видом водонепроницаемого крепления, которое может противостоять давлению напора воды, особенно при большой глубине шахты, является крепление чугунными тюбингами. Они состоят обычно из отдельных частей-сегментов, или же представляют из себя отлитые целиком кольца, соответственно диаметру шахты. Составленные из отдельных ceгментов или цельные кольца устанавливаются одно на другое, образуя таким образом цельную трубу, являющуюся собственно креплением шахты. В СССР, где проходка способом замораживания производилась впервые на шахте №2 Первого калийного рудника (Урал), при глубине выше 100 м, крепление применено бетонитами.
Оттаивание замерзшей стены в шахтах с незначительной глубиной может происходить естественным путем. Так как оттаивание происходит неравномерно, то крепление шахты тюбингами, естественно, подвергается действиям неодинаковых температур, что влечет образование неплотностей во фланцевых соединениях, а кроме того, могут даже появиться трещины и поломки в самих тюбингах. Чем глубже шахта, тем труднее устранять неплотности в тюбингах, обнаружившиеся при оттаивании, и тем больше приходится опасаться последствий, происходящих вследствие поломок тюбингов. Первое время оттаивание производили продувкой пара через замораживающие трубы. Этот способ вызывал ряд неприятностей, заключающихся в поломке труб, утечке воды и цемента через тюбинги от неравномерного распределения давления на тюбинги, как следствие неравномерного оттаивания. Позднее начали производить оттаивание путем заполнения шахты водой. По прошествии определенного времени (6-8 недель) вода откачивалась и тюбинги расклинивались и расчеканивались. Но при этом способе, обнаруживающиеся при оттаивании неплотности в тюбингах недоступны для осмотра и исправления в момент их появления, так как они находятся под водой. Более же часто применяется другой способ. В замораживающих трубах заставляют циркулировать подогретый раствор, а в то же время в шахту нагнетают вентилятором подогретый воздух. После оттаивания замораживающие трубы извлекаются из скважин и скважины засыпаются. В случае же невозможности вынуть они заливаются цементом.
Эта работа Ветошкина особо ценна и тем, что была одной из первых в стране, посвященной проходке методом замораживания. До этого мы имели больше переводы зарубежных изданий типа «Проходка шахт методом замораживания» (перевод с немецкого под редакцией горного инженера В.М. Еремеева).
Впоследствии было опубликовано еще немало работ по этой теме, где отражался опыт сооружения стволов шахт способом замораживания в СССР и за рубежом. Рассмотрен весь комплекс вопросов по проходке стволов способом замораживания: бурение замораживающих скважин, конструкция холодильного оборудования, методы расчета процесса замораживания, технологические схемы выемки породы, конструкция и возведение крепи и др. Приводились примеры проходки стволов шахт в сложных гидрогеологических условиях в различных странах с применением современных технологий и техники. Но они все меньше были связаны с угольной отраслью и Кузбассом.
Записал Валерий Каваль