Работы по замораживанию горных пород включают бурение скважин, монтаж замораживающих колонок и рассольной сети, создание ледопородного ограждения требуемых размеров (активное замораживание).

Бурение скважин. Прежде чем приступить к бурению, необходимо знать схему расположения и число замораживающих скважин.

Схема расположения замораживающих скважин при проходке ствола зависит от его радиуса в проходке /?пр и расчетной толщины ледопородного ограждения Е ( 9.3).

Замораживающие скважины располагают вокруг вертикального ствола по окружности, при этом стремятся к возможному уменьшению ее диаметра в целях сокращения числа скважин и уменьшения расходов на буровые и монтажные работы. Однако чрезмерное приближение замораживающих скважин к контуру ствола может привести в процессе проходки к выемке части замороженной породы и ослаблению ледопородного ограждения.

При замораживании горных пород ледопородное ограждение после его смыкания формируется неравномерно по отношению к контуру расположения колонок. В силу ограниченного теплопритока со стороны внутреннего контура ледопородное ограждение нарастает быстрее в направлении к центру ствола. Многолетняя практика показывает, что толщина ледопородного ограждения £ относительно контура расположения скважин распределена следующим образом: 0,6£ — к центру ствола и 0,4£ — во внешнюю сторону.

Расстояние между скважинами на рассматриваемом горизонте, для которого рассчитывают толщину ледопородного ограждения, определяют для случая отклонения двух соседних в ряду скважин от вертикали в противоположные стороны. При этом наибольшее допустимое расстояние между ними из условий смыкания ледопородного ограждения должно быть не более 3 м.

Замораживающие скважины вокруг вертикальной выработки располагают по концентрическим окружностям. Схему расположения замораживающих скважин по одной окружности называют однорядной, по двум — двухрядной и т.д. Число рядов замораживающих скважин вокруг выработки зависит от проектной толщины ледопородного ограждения, которая, в свою очередь, зависит от нагрузок на ледопородное ограждение, размеров выработки, свойств пересекаемых пород.

Для создания ледопородного ограждения толщиной 3—5 м обычно применяют однорядную схему расположения колонок, а толщиной 5— 8 м — двухрядную. При этом диаметр внутренней окружности принимают по соображениям, изложенным выше, а диаметр внешней — на 3— 5 м больше. При создании ледопородных ограждений большей толщины замораживающие скважины располагают в три ряда и более.

В случае если в основании ствола отсутствует водоупорный пласт, для устройства зумпфа или бетонной подушки породы в пределах ствола замораживают с помощью скважин, пробуренных в его контуре. Число таких скважин принимают из расчета, чтобы на каждую внутреннюю колонку приходилась площадь не менее 4—5 м2. Скважины располагают равномерно по всей площади забоя.

В процессе бурения к замораживающим скважинам предъявляют определенные требования:

•          конечный диаметр скважины должен быть несколько больше диаметра соединительных муфт замораживающих колонок и составлять не менее 150-170 мм. При большой глубине замораживания горных пород (500—700 м) конечный диаметр замораживающих скважин принимают равным не менее 200—250 мм;

•          глубина скважин должна быть на 5—20 м больше проектной отметки замораживания пород;

•          скважины должны быть очищены от бурового шлама, чтобы обеспечить свободный спуск замораживающих колонок принятого диаметра;

•          бурение замораживающих скважин необходимо проводить с минимальным выносом (размывом) горных пород, исключающим образование пустот, и с минимальными отклонениями от заданного направления.

Допустимое отклонение замораживающей скважины от вертикали ас, м, устанавливают в зависимости от ее глубины Яс и определяют по формуле

ас = 0,5 + 0,002 Яс.

В случае отклонения скважины от проектного направления свыше допустимого кривизну исправляют или скважину перебуривают. Как исключение допустимы искривленные скважины, если положение смежных, также отклонившихся скважин обеспечивает смыкание ледопородного ограждения и его проектную толщину. В связи с этим при замораживании горных пород предусматривают бурение дополнительных замораживающих скважин: не более 10% общего числа при глубине замораживания до 100 м, не более 15% — при глубине замораживания до 400 м и не более 20% — при глубине замораживания свыше 400 м.

Для бурения замораживающих скважин применяют установки ударного, вращательного и комбинированного бурения.

Ударный способ бурения замораживающих скважин основан на разрушении пород вследствие периодических ударов (частота ударов 1 с-1) бурового инструмента (долота) по забою скважины. При каждом новом ударе буровой инструмент поворачивают на некоторый угол. Дрлото получает движение от бурового станка через канат или штанги. В соответствии с этим различают ударно-канатный или ударно-штанговый способы бурения. При ударно-канатном способе разбуренную горную породу из скважины удаляют желонками, а при ударно-штанговом — путем прокачки глинистым раствором.

Для бурения замораживающих скважин применяют станки типа УКС-22М, УКС-ЗОМидр.

Вращательный способ бурения применяют в слабых горизонтально залегающих породах при глубине скважин до 300 м. При этом используют следующие режущие инструменты: в сухих и рыхлых породах — фрезы; в слабых водоносных и сыпучих породах — долото «рыбий хвост» (РХ); в породах средней крепости — трехшарошечное долото. Вынос разбуренной породы осуществляют с помощью глинистого раствора, который подают в скважины по буровым трубам.

Важными преимуществами этого способа являются возможность бурения скважин без применения обсадных труб, отсутствие специальных операций по очистке забоя от буровой мелочи и более высокая скорость бурения по сравнению с ударным способом.

При вращательном способе бурения скважин применяют установки типа УРБ-ЗАМ, СБУ-150-ЗИВ, ЗИФ-650А, ЗИФ-ЗООМ и др.

Комбинированное (турбинное) бурение применяют на больших глубинах, как правило, по крепким породам. Для этой цели могут быть использованы станки типа УРБ-4ПМШ, УТЗ-2, УБЗШ-2 и др.

В зависимости от объема бурения на объекте могут одновременно работать одна, две и даже четыре буровые установки.

В устойчивых неразмокающих породах бурение ведут с промывкой скважин водой. В других условиях для промывки скважин используют глинистый раствор, который специально приготавливают на строительной площадке в глинорастворных комплексах. Глинистые растворы для бурения замораживающих скважин плотностью 1,15—1,3 г/см3 приготавливают из порошковых глин и реже из комовых глин местных карьеров. Для стабилизации параметров глинистых растворов их обрабатывают углещелочным химреагентом УЩР.

К забою буримой скважины глинистый раствор поступает по буровым колоннам с помощью насосов ЗИФ-Р-200/40; НГ-200/30; ИГР и др.

Для нормальной очистки забоя и выноса разбуренной горной породы на земную поверхность в потоке промывочной жидкости необходимо поддерживать скорость восходящей пульпы в затрубном пространстве равной 1-1,2 м/с при бурении по мягким породам и 0,7— 1 м/с при бурении по крепким и твердым породам.

При бурении скважин буровую колонну комплектуют буровыми трубами УБТ диаметром 114, 146 или 178 мм. При турбинном бурении используют турбобур Т12М-65/8.

При выборе способа бурения скважин необходимо учитывать следующие факторы: скорость бурения, отклонение скважины от заданного направления, стоимость буровых работ и вынос пород из скважин в процессе бурения.

Успех замораживания в значительной степени зависит от того, насколько правильно выдержано проектное направление замораживающих скважин по глубине. Отклонение скважин от заданного направления при бурении имеет место при наличии твердых включений пород (валунов, гальки), переслаивании крепких и неустойчивых пород, а также при встрече жил, сбросов, каверн, пустот, крутом залегании пород, при котором буровой инструмент при выходе из мягких горных пород будет стремиться вниз по кромке крепкого пласта, неправильной установке бурового станка, неправильном режиме бурения и др.

Для снижения отклонений скважин от заданного направления необходимо систематически через каждые 30 м измерять фактическое положение забоя скважины и при необходимости принимать меры к исправлению ее кривизны. Для измерения направления замораживающей скважины применяют специальные приборы, которыми определяют угол, составленный осью скважины с вертикальным направлением, — зенитный угол а и угол, составленный проекцией отклонения на горизонтальную плоскость с меридианом, — азимутальный угол |3 ( 9.4). По этим данным определяют местоположение забоя замораживающих скважин по горизонтам через каждые 30 м и в дальнейшем строят планы формирования ледопородных ограждений на этих горизонтах.

Зенитный угол можно измерить отвесом или с помощью специальной жидкости, помещенной в сосуд, а азимутальный — компасом. Для измерений азимутов отклонений замораживающих скважин не следует применять приборы с магнитной стрелкой, так как на последнюю оказывают влияние окружающие металлические предметы (обсадные трубы, замораживающие колонки), Помимо этого, на магнитную стрелку оказывают влияние электрические токи, железные руды и др.

Современными приборами можно измерять направления скважин глубиной свыше 1000 м. Для измерения отклонений неглубоких скважин (до 100 м) вполне удовлетворительные результаты дают отвес и теодолит. Для измерений направлений глубоких замораживающих скважин применяют фотоинклинометры И-560-Ф, И-567-Ф, дистанционные инклинометры ВД-2, И-447-Д.

Монтаж замораживающей колонки. После того как будет пробурена скважина, ее очищают от остатков грунта и погружают в нее замораживающую колонку, которая показана на  9.5. Она состоит из замораживающей трубы 2, башмака /, головки 4, питающей трубы 3, соединительной трубы 5, отводящей трубы 6. Соединительная труба подсоединяется к распределительному коллектору / /, по которому подают хладоноситель. Отобрав тепло от окружающих пород, хладоноситель по отводящей трубе поступает в обратный коллектор 9, а оттуда в испаритель для повторного охлаждения. Для выключения замораживающей колонки из работы на питающей и отводящей трубах предусмотрены запорные краны 8. Контроль за расходом хладоносителя в колонке в случае необходимости может быть осуществлен с помощью расходомера 7. Измерение температуры хладоносителя, выходящего из колонки, осуществляют с помощью термометра 10, вставляемого в термогильзу.

К замораживающим трубам предъявляют повышенные требования, так как при понижении температуры в них возникают высокие напряжения, являющиеся следствием высокого внешнего давления в породе вокруг труб в результате расширения в ней воды в момент замерзания, а также в результате пучения породы. В связи с этим в качестве замораживающих используют только высокопрочные трубы, изготовленные из стали марок С и Д. Наибольшее распространение получили бесшовные цельнотянутые трубы диаметром 146 мм и с толщиной стенки 7—11 мм. Соединения труб муфтовые. Часто при замораживании грунтов на небольшую глубину применяют также бесшовные насосно-компрессорные трубы с внутренним диаметром 100,3 и толщиной стенки 7 мм. Для особо ответственных работ применяют специальные безмуфтовые трубы типа ТЗК (трубы замораживающих колонок), которые соединяют ввинчиванием одной трубы в другую с помощью конической нарезки. Длина труб 9—12 м; наружный диаметр по резьбовому соединению 156, по трубе 146 мм; внутренний диаметр по резьбовому соединению 122, по трубе 146 мм; толщина стенок 8— 11 мм. Трубы изготавливают из углеродистой стали с термической обработкой, закалкой и отпуском. Они рассчитаны на внутреннее давление 20 МПа.

В нижней части замораживающей трубы монтируют башмак, который представляет собой литой или сварной стальной конус, снабженный резьбой для соединения с замораживающей трубой.

Конструкция головки замораживающей скважины может быть сварной или съемной. Сварные конструкции применяют при замораживании горных пород на небольшую глубину и выполняют следующим образом. Из листовой стали толщиной 10—12 мм вырезают диск, диаметр которого несколько больше диаметра замораживающей трубы. В диске вырезают два отверстия для приваривания питающей и отводящей труб, а диск приваривают к верхней части замораживающей трубы. Недостатком такого типа головки является необходимость ее срезания при возникновении потребности в извлечении питающей трубы в случае засорения последней.

При замораживании горных пород на большую глубину применяют съемные конструкции головок.

В качестве питающих используют стальные и полиэтиленовые трубы. Диаметр стальных труб 25—50, толщина стенок 3—6 мм. Трубы между собой соединяют с помощью муфт. При замораживании пород на среднюю или большую глубину целесообразно применение полиэтиленовых труб. В отечественной практике трубы изготавливают из полиэтилена двух марок: низкой (ПНП) и высокой (ПВП) плотности. Применяют трубы трех типов: легкие Л, средние С и тяжелые Т для внутренних давлений соответственно 0,25; 0,6 и 1 МПа.

Соединительные и отводящие трубы принимают такого же диаметра, как и питающие, и выполняют чаще всего из резиновых шлангов.

При монтаже все замораживающие трубы перед опусканием в скважины следует подвергать гидравлическому испытанию. Для этой цели вблизи участка замораживания целесообразно собрать колонну замораживающих труб с башмаком, длина которой равна глубине замораживающей скважины. Для испытания колонну заполняют водой и прессуют в течение 10 мин под давлением, зависящим от глубины скважины.

Если испытания дали хорошие результаты, т.е. все соединения и башмак оказались плотными и не пропускали воду, то колонну считают годной к спуску в скважину. После этого все трубы колонны маркируют и разбирают для монтажа в скважине. Порядок монтажа следующий. В скважину опускают первое звено труб, имеющее на нижнем конце башмак; на верхнем конце трубы закрепляют, хомут, который после опускания первого звена ложится на кондуктор; верхний обрез трубы должен быть выше хомута на 0,5 м. К первому звену присоединяют второе и т.д. Способы соединения замораживающих труб могут быть разными: с помощью конической резьбы — ввинчиванием одной трубы в другую (ТЗК), удлиненными муфтами, навинчиваемыми плотно на трубу на пеньке с суриком, с обваркой их электро- или газосваркой, а также сваркой встык с ниппелем. Прочность соединения должна быть равна прочности самих труб.

Подвеску каждой трубы и спуск всей колонны в скважину осуществляют с помощью резьбовой пробки, подвешиваемой за пружину на крюк талевой системы. Каждый стык замораживающих труб проверяют на прочность и герметичность. Давление при опрессовке стыков зависит от глубины скважины: при глубине до 100 м оно составляет 3 МПа, при 100-200 м — 4, при 200-300 м — 5, при 300-400 м — 6 и при глубине более 400 м — 8 МПа. Стык признают герметичным, если давление опрессовки не изменяется в течение 10 мин. Несмотря на предварительную опрессовку соединений, во время спуска колонны в скважину она может быть частично нарушена. Поэтому после опускания всей колонны проводят контрольное испытание на водонепроницаемость соединений. С этой целью после сборки колонну полностью заливают водой (в зимнее время 10%-ным раствором хлористого кальция). Уровень жидкости в колонне измеряет маркшейдер. Чтобы жидкость не испарялась, колонну плотно закрывают деревянной пробкой и обмазывают глиной или цементом. Измерение колебаний уровня жидкости в колонне проводят ежедневно в течение 5 суток. Если уровень жидкости в колонне в течение этого периода снизился более чем на 2 см на каждые 50 м глубины, то ее перемонтируют после вторичной опрессовки.

После монтажа замораживающих труб обсадные трубы извлекают, а пространство между колонной и стенками скважины обязательно заполняют песком, так как образующаяся прослойка воздуха будет замедлять процесс замораживания пород.

Монтаж рассольной сети .Рассольной сетью называют систему трубопроводов, в которой циркулирует хладоноситель (рассол). Рас-солопроводы соединяют замораживающую станцию с местом проведения работ по замораживанию горных пород. Рассольная сеть ( 9.6) состоит из подводящего прямого рассолопровода 6, распределителя 2, коллектора 3, замораживающих колонок 4, обратного рассолопровода 5. Магистральные рассолопроводы укладывают в две нитки, по одной из которых хладоноситель из испарителя / насосом 8 нагнетают к распределительному трубопроводу 2, а по второй — нагретый хладоноситель отводят на замораживающую станцию для повторного охлаждения. На прямом рассолопроводе устанавливают задвижку 7.

Для магистральных рассолопроводов применяют стальные трубы диаметром 100—200 мм. При необходимости увеличить площадь поперечного сечения рассолопровода устраивают вместо двух четыре ветви диаметром не более 200 мм каждая. Трасса рассолопровода от замораживающей станции до участка замораживания горных пород должна проходить по кратчайшему маршруту. В рассолопроводах длиной свыше 100 м необходимо устраивать компенсаторы, так как вследствие понижения температуры трубы будут укорачиваться, что вызовет нарушение соединений рассолопровода.

Для снижения теплопотерь рассолопроводы укладывают на брусья в траншеи глубиной 0,5-0,7 м, шириной от 1 м при двух трубопроводах и до 4 м при шести трубопроводах. Траншеи крепят деревянными щитами, реже кирпичом, и перекрывают деревянными щитами или железобетонными плитами. Теплопроводы изолируют рубероидом и засыпают сухими опилками или другим теплоизоляционным материалом. При определенных условиях рассолопроводы укладывают и на поверхности земли.

 В этом случае их обязательно теплоизолируют: обматывают войлоком или пенькой толщиной 20—30 мм и засыпают пространство между ними опилками, торфом или другими малотеплопроводными материалами.

Для разводки хладоносителя в замораживающие колонки непосредственно у выработки или вблизи нее устраивают специальное помещение, называемое галереей или форшахтой. Форшахта может быть расположена на поверхности или на небольшой глубине в зависимости от местных условий. Глубину заложения форшахты определяют, исходя из удобства проведения в ней работ, условий монтажа рассольной сети и дальнейшей ее эксплуатации. Галерея служит для размещения в ней распределительного и коллекторного рассолопроводов, это создает условия для постоянного контроля за работой замораживающих колонок, а также для укрепления направляющих труб (кондукторов) и бурения замораживающих скважин. Кроме того, размещение рассольной системы в фор-шахте позволяет освободить место для строительных работ на поверхности.

В плане ось галереи должна следовать за линией расположения замораживающих колонок. Поперечные размеры галереи определяют из условия размещения в ней распределительного и коллекторного рассолопроводов, кроме того, предусматривают свободный проход шириной 0,8 м для обслуживающего персонала. Ширину галереи для одного ряда скважин ( 9.7) принимают равной 2,5—3 м, а высоту — 1,8—2 м. В зависимости от срока службы галерею закрепляют деревом, кирпичом, бетоном или железобетоном. Распределитель и коллектор собирают из отдельных отрезков труб с помощью сварки или на фланцах с применением резиновых прокладок. Соединение труб на фланцах является более надежным, так как при отрицательных температурах металл вследствие хрупкости в местах сварки часто разрушается. Распределитель и коллектор прикрепляют к деревянным стойкам или подвешивают к потолочным перекладинам форшахты на железных хомутах. Один конец питающих и отводящих труб присоединяют к головке замораживающей колонки, а другой — к распределителю и коллектору.

После монтажа замораживающих колонок, рассольной сети, замораживающих станций и соответствующих испытаний приступают к работам по активному замораживанию пород, т.е. созданию ледопородного ограждения требуемых размеров с заданными физико-механическими свойствами.

Замораживающие колонки включают в работу, как правило, одновременно, в особых случаях отдельными группами в определенной последовательности во времени. Замораживающие колонки, расположенные в два ряда, работают параллельно. Каждую пятую колонку второго ряда оставляют невключенной для наблюдения за понижением температуры пород.

Температуру хладоносителя понижают постепенно во избежание возникновения больших температурных напряжений в системе трубопроводов и возможных разрывов в сети вследствие сжатия металла при низких температурах. В первые сутки хладоноситель в рассольную сеть подают с температурой не ниже —5 °С с последующим понижением до рабочей температуры. Ежесуточное понижение температуры должно составлять 3—5 "С. В первые 10—15 дней замораживания разность температур между прямым (подаваемым к колонке) и обратным (выходящим из колонки) рассолами составляет 4—5 "С с последующим постепенным понижением до 2-3 "С к концу замораживания.