Problemy związane z zamrażaniem górotworu przy głębieniu szybów w Lubelskim Zagłębiu Węglowym

(1)

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ S e r ia l GÓRNICTWO z . 96

1979

J ó z e f MA LOSZEWSKE

PROBLEMY ZWIĄZANE Z ZAMRAŻANIEM GÓROTWORU PRZY GŁJBIEHIU SZYBÓW W LUBELSKIM ZAGŁgBIU WĘGLOWYM

S tr e s z c z a n ie . Stwierdzone badaniami rozpoznawczymi trudne wa

runki hydrogeologiczne w warstwach nadkładowych karbonu Lubels

kieg o Z agłębia Węglowego zdeterminowały konieczność zastosow ania przy g łf b ie n iu pierw szych szybów metody s p e c ja ln e j. Po dokonaniu wnikliw ej a n a liz y wybrano metodę mrożenia górotworu do g łę b o k o ści 700 m. N in ie jsz y a rty k u ł zaw iera wstępne omówienie i podsumowanie p rac związanych z doborem i o p ty m alizacją te c h n o lo g ii zamrażania górotworu w warunkach LZW.

1 . WST?P

P rz y ję c ie s o c ja lis ty c z n e g o uprzemysłowienia k ra ju jako podstawy po

l i t y k i go sp o d arczej P o lsk i Ludowej było za sad n iczą p rzesłan k ą rozbudo

wy przemysłu węgla kamiennego w o k resie powojennym. Konkretnym tego wyrazem było wybudowanie 17 nowych kopalń w okresie powojennym oraz przekazanie do e k s p lo a t a c ji około 100 poziomów wydobywczych w i s t n i e jący ch ju ż k o p aln iach .

Szczególn ie duży rozwój przemysłu węglowego n a s t ą p ił w minionym 5 - l e c iu , co uwidoczniło s i ę w największym , ja k i w ogóle kiedykolwiek uzyskano, p rz y ro ście wydobycia węgla kamiennego.

Rosnącemu znaczeniu węgla kamiennego w programowaniu rozwoju spo

łeczno-ekonomicznego k ra ju w la ta c h 1976-1950 poświęcono dużo uwagi również w c z a sie obrad I I I Zjazdu PZPR, Nakreślone w Uchwale VII Zjazdu zadania d la górnictw a z a k ła d a ją , że przez rozbudowę i moderni- z a c ję is tn ie ją c y c h k o palń jb raz budowę nowych, wydobycie węgla kamienne

go powinno o siągn ąć w roku 1980 poziom 200 + 207 min to n .

Dla o s ią g n ię c ia ta k dużego poziomu wydobycia konieczna j e s t budowa nowego za g łę b ia węglowego: p rzed sięw zięcie to z o s ta ło rozpoczęte Uch

wałą Rady M inistrów Nr 15/75 z dnia 17.1.1975 r . o budowie Kopalni P ilo t u jąco-uy doby wczej w Lubelskim Zagłębiu Węglowym. Wyniki wierceń stru k tu ra ln y c h , będących podstawą do po d jęcia d e c y z ji inwestycyjnych wskazywały na g łę b o k ie zale gan ie pokładów węgla /p o n iż e j 700 m/ oraz występowanie zawodnionych warstw czw artorzędu, trze cio rzęd u i górnej kredy do g łę b o k o ści ok. 200 m. Przeprowadzone w I półroczu 1975 r . b a rd z ie j precyzyjne w iercenia badawcze pod szyb I i I I stw ie rd ziły występowanie k ilk u poziomów wodonośnych p o n iżej g łę b o k o ści 400 m,

(2)

80

J . M ałoszeweki w tym bardzo groźnych warstw o charakterze kurzawkowym na g łę b o k o ści ok. 600 m. Zmieniło to w sposób radykalny poglądy na tech n ologię g łę bien ia szybów oraz ich obudowę.

Przed budownictwem szybowym sta n ę ło zatem zagadnienie rozw iązania dwóch problemów:

- g łę b ie n ie szybu w warunkach nie spotykanych dotychczas c iśn ie ń hydrostatycznych,

- zaprojektowanie obudowy zdoln ej do pracy w tych warunkach.

Rozwiązanie to miało być podane dla nieznanych b l iż e j warunków nowego zagłę b ia węglowego, gdyż ju ż pierwsze rozpoznanie mówiło o odmienności warunków w porównaniu do Z agłębia Lwoviisko-iioły ńskiego w ZSRR, obejmującego w zasad zie te same pokłady w ęgla, a le położone na znacznie m n ie jsze j g łę u o k o śc i.

Przedstawiony arty k u ł zawiera wstępne omówienie i podsumowanie prac związanych z doborem i op ty m alizacją te c h n o lo g ii zamrażania górotworu w warunkach Lu belskiego Zagłębia 'Węglowego.

2. WśRURKI HYDROGĘOLGGICZHE I PROBLEMY DOBORU TIJHHOLOGII GŁJBISRIA SZYBO W W LUBELSKIM ZAGŁJBIU WJGLOWlM

Zgodnie z opracowaną przez P rzedsięb iorstw o Budowy Szybów w Ityto- miu dokumentacją hydrogeologiczną w p r o filu szybu I i I I można wyodręb

n ić n astępu jące s tr e fy geotechniczne w n ad k ład zie:

- od 0 do 162 m, - od 162 do 200 m, - od 200 do 459,5 m

i o p* 459,5 do 551 m, - od 551 do 585,5 m - od 585,5 do 711,5 m,

W pierw szej s t r e f ie - z uwagi na zawodnienie, małą wytrzymałość i spękanie górotworu w ystępują bardzo trudna warunki geologiczn o - inży

n ie rsk ie do budowy szybów.

W następnej s t r e f ie - w sk ałach nie spękanych i nie zawodnionych - warunki te s ą nieco le p s z e ,t a k że możliwe j e s t g łę b ie n ie sposobem zwykłym odcinkami o d łu g o ści ok. 2 ,0 m.

Ze względów technicznych głębokość mrożenia warstw czwartorzędowych i górnej kredy p rzy ję to początkowo na 170 m.

Odcinek od głębo ko ści 200 do 459.5 m zbudowany j e s t w g órn ej c z ę śc i z m argli kredowych, a w c z ę śc i doln ej - z m argli ila s t y c h i kredowych naprzemianlegle przewarstwionych wapieniem, w których m iejscam i wy

stę p u ją krzemienie i opoka. W odcinku tym następuje wraz z głębokoś

c i ą s ta ły wzrost wytrzymałości s k a ł na ś c is k a n ia , które na g łę b . ok.

200 m wynosi ok. 80 kG/cm2 /8 MPa/, a na g łę b . ok. 450 m - ok.

(3)

Problemy związane z zamrażaniem . . . . 81 200 kG/cm /2 0 MPa/. Mimo m ałej stosunkowo w ytrzym ałości s k a ł , więk2 szych tru d n o ści przy g łę b ie n iu szybu dokumentacja hydrogeologiczna nie przew idyw ała, gdyż górotwór j e s t niezawodniony, a stru k tu ra sk a ł j e s t z b ita i nie wykazuje w iększych sk łon n ości do p o d z ie ln o śc i, mimo, że m iejscam h mogą w ystąpić sp ę k an ia. Zasadniczemu pogorszeniu mogły

by ulec warunki g łę b ie n ia szybu , w przypadku gdyby z jakichkolw iek powodów w y stą p ił dopływ w o d ?. Szczególn ie podatny na ta k ie wpływy by

łby dolny odcinek, gdzie j e s t duże zagęszczen ie przerostów i ł u m argli- s te g o , które łatw o w ch łan iają wodę i s t a j ą s i ę m iękkoplastyczne.

W p rz e d z iale g łę b o k o ści 459.5 do 551 m w ystępują wapienie kredo

we przewarstwione kredą p is z ą c ą i marglem, W warstwach tych występu

j ą ponadto buły krzem iania i p rzero sty i ł u m arg lie te g o . Cały ten odcinek j e s t spękany i zawodniony - c iś n ie n ia hydrostatyczne w tym odcinku o s ią g a ją w arto ści do 51 kG/cm /o k . 5,1 MPa/ przy spodziew a-2 I nym dopływie do z a b ie r k i szybowej do ok. 0 ,2 0 4 0,45 m /m in. 'dfytrzy- m ałość na ś c isk a n ie s k a ł w g ó rn ej c z ę ś c i omawianego odcinka j e s t dość duża /o k o ło 190 k®/cm2 , t j . 19 MPa/; wraz z g łę b o k o śc ią m aleje - w do

ln e j c z ę ś c i w ystępują dwie warstwy /532 do 542 i 545,5 do 551 m/ ba

rdzo s ła b !ego spękanego margla kredowego z przyrostam i i ł u m a rg lis- te g o . Próba pobrana z tego odcinka u le g ła rozw arstw ieniu w opakowa - n iu t a k , że możliwe było oznaczenie jedynie k ąta t a r c ia wewnętrznego /2 3 °1 0 V oraz k o h e z ji / 0 , 5 kG/cm2 , t j . 0,0 5 MPa/.

Wynika s t ą d , że g łę b ie n ie metodą zwykłą w tym odcinku byłoby możliwa jedynie do g łę b o k o śc i ok. 530 m, p o n iżej należałoby zastosow ać meto

dę s p e c ja ln ą - do sprecyzow ania ro d z a ju metody powrócimy w dalszych rozw ażaniach.

hastępny odcinek, t j . od 551 do 565.5 m zbudowany j e s t ze zwięz

łych niezawodnionych w apieni o dużej w ytrzym ałości na ś c is k a n ie , wy

n o sząc ej od 395 do 430 kG/cm2 /o k . 39,5 4 4 3 ,0 MPa/.

G łębienie szybu na tym odcinku nie napotykałoby na żadne tru d n o śc i, gdyby można było pominąć zagrożenie wynikająca z b lis k ie g o s ą s ie d z t wa n ie b e zp ie czn ej warstwy piasków albtt za le g a jąc y c h pod dużym c iś n ie niem hydrostatycznym . Sąsiedztw o to powoduje, że od g łę b o k o ści ok.

560 m tr ;e b a byłoby w każdym przypadku prowadzić roboty g łę b ie n ia de fa c t o metodą s p e c ja ln ą .

O statn i wyodrębniony odcinek od g łę b o k o śc i 585 m do głęb o k o ści 711.5 m zbudowany j e s t ze s k a ł o bardzo zmiennym w ykształceniu l i t o logicznym i bardzo mocno zróżnicowanych w łasn ościach fizyko-m echani- cznych. Cały ten odcinek j e s t zawodniony - c iśn ie n ia hydrostatyczna w tym odcinku o s ią g a ją w arto ści do 69 kG/cm^ /o k o ło 6 ,9 MPa/ przy spodziewanym dopływie do z a b ie r k i szybowej do ok. 2 ,2

ł

5 ,4 m^/min.

W g órn ej c z ę ś c i tego odcinka /5 8 5 ,5 f 588,4 m/ w ystępują sprasowane z ailo n e p ia s k i p y la s te / p i a s k i a lb u / , zaw ierająca konkrecje fo s fo r y tów. P o n iżej w ystępują warstwy różnego rod zaju w apien i, w których

(4)

82 J.Msłoszewski zn ajd u ją s i ę cienkie p rzero sty łupku i l a s t e g o , mające m iejscam i dość duże zag ę szc ze n ie . W spodzie tego odcinka występuje czterometrowa wa

rstwa drobn oziarn istego piaskow ca.

W całym tym odcinku dokumentacja hydrogeologiczna przewidywała wy

stą p ie n ie trudnych warunków dla g łę b ie n ia szybów. Jako szczególn ie trudny dla zg łęb ien ia był typowany odcinek piasków a lb u , który po odsłon ięciu wyrobiskiem p rzejd zie w sta n kurzawki. Podczas wierce - nia otworu badawczego na odcinku tym stwierdzono zamulanie nawet wtedy, gdy otwór do wierzchu był wypełniony p łu czk ą. Podczas badania dopływu, po wytworzeniu 114 m d e p r e s ji, stw ierdzono w otworze 100 - metrowy korek kurzawkowy, a w. w ybieranej z otworu wodzie przez cały czas łożyskowania /24 g o d s ./ znajdowało s i ę około 10 + 12 ii c z ę śc i sta ły c h z przewagą f r a k c ji p ia s z c z y s t e j i p y l a s t e j. Przeprowadzone przez OBR- ZBG "BUDOKOP” badania stanu u z iarn ie n ia tego piasku wy

kazały zawartość f r a k c j i powyżej 2 mm:

- dla próbki pobranej z rd z e n ia: 4 4 ,1 3?

-

dla próbki pobranej ze sk rz y n i: 6,043?

Kąt ta r c ia wewnętrznego tego p iask u w yniósł 28°50,” kohezja - 0,1 kG/cm2 /o k . 0,01 ’iP a /, wsp. f i l t r a c j i /wg badań ZilG PAIT w Krako

wie /od 3 ,0 x 10 "3 do 4,54 x 10” 3 cm/sek. /śre d n io 4,25 x 10_3cm /sek/.

Przewidywane tru dn ości g łę b ie n ia w t e j warstwie o d zw iercied lał w pewnym se n sie f a k t , że obliczone obciążenia obudowy p rzek raczały w t e j warstwie 80 kG/cm2 /8 MPa/.

Skały wapienne budujące środkową część omawianego odcinka wykazu

j ą dużą zw ięzłość /235 +545 kG/cm2 , t j . 23,5 + 54,5 iiP a/, a le w m ie j

scach g ę ś c ie j spękanych i poprzerastanych łupkiem wykazywać miały wg dokumentacji hydrogeologicznej skłonność do osypywania s i ę śc ia n szy bu. Zjawisko to wystąpiłoby ze szczególnym natężeniem w p a r tia c h , gdzie spodziewane s ą duże dopływy wody, a więc od 5.88,4 do ok.597 m i w p a r t i i od 663 do 707,5 m. Z aleg ająca na samym spodzie omawianego odcinka warstwa piaskowca o wytrzym ałości na śc isk a n ie 245 kG/cm2 , /o k . 24,5 “ P a/ byłaby również trudna do p r z e jś c ia , gdyż stanowi spód poziomu wodonośnego i poprzez n ią napływałaby duża il o ś ć wody, która przemywałaby szczelin y i wnosiłaby do szybu m a te ria ł il a s t o - p i a s z c z je - ty oraz rozmywałaby p a rtie piaskow ca, stw arzając dodatkowy wyłom i niebezpieczeństwo oblewów.

Utwory karbońskie z ale g ające bezpośrednio pod utworami ju iy na odcinku od 711.5 do 715.3 m zbudowane s ą z łupków ila s t y c h o w ytrzyj m ałości na ścisk an ie wynoszącej zaledwie 78 kG/cm2 /o k . 7 ,8 ¡¿ra / i wykazujących w środowisku wodnym skłonność do rozw arstw ienia s i ę ju ż po 30 minutach. Warstwa t a , w powiązaniu z nadległym i piaskowcami ju ry , potęguje trudności g łę b ie n ia szybu i zamknięcia obudową I I I po

ziomu wodonośnego.

(5)

Problemy związane z zam rażaniem ... 83 is/ynika s tą d konieczność stosow ania metody s p e c ja ln e j w omawianym ostatnim odcinku g łę b ie n ia «

Podsumowując dokonany p rz e g ląd warunkćw g eo lo giczn o -in ży n ierak iech n ależy s tw ie r d z ić , że z wymienionych s t r e f geotechnicznych zastosow a

n ia metod spec.ialnych wymagały o d c in k i:

- od O do 162 m, - od 459«5 do 551 m, - od 560,0 do 535,5 m - od 585,5 do 711,5 m P o zo stałe s t r e f y , t j . : - od 162 do 200 m, - od 200 do 459,5 m, - od 551 do 560 ,0 m

mogłyby hyć głęb ion e przy użyciu metody zwykłej g łę b ie n ia .

Spośród sp ec ja ln y c h metod g łę b ie n ia rozważono n astęp u jące metody s - cem entacja w yprzedzająca,

- drenaż górotworu poza obudową,

- zamrażanie górotworu przy użyciu cie k łe g o a z o tu ,

- odcinkowe zamrażanie górotworu z zastosowaniem poduszki p o w ie trz n e j,

- zamrażanie górotworu jednym odcinkiem.

Propozycje cem en tacji w yprzedzającej p olegały na o d cięciu warstwy piasków alb u od warstw wodonośnych; koncepcja t a , z uwagi na n ie r e a l

nie duży wymagany z a s ię g c e m e n tac ji, z o s ta ła odrzucona.

P ropozycja drenażu górotworu poza obudową zm ierzała do obniżenia c iśn ie n ia hydrostatycznego na obudowę szybu poprzez je g o odwodnienie w c z a sie g łę b ie n ia szybu . Koncepcja ta mogłaby spowodować zakłócenia /p op rzez intynsywne odwadnianie górotw oru/ - stosunków wodnych na powierzchni z ie m i.

Zastosowanie w tak trudnych warunkach nie wypróbowanej je szc z e d o state cz n ie metody, ja k ą j e s t mrożenie ciekłam azotem , nie uznano za w łaściw e. Metoda ta była wypróbowana za g ra n ic ą i w P o lsce w przy

padku p ły tk ich mrożeń /budownictwo in ż y n ie ry jn e /, a więc małych c i ś n ień h ydrostatyczn ych .

Metoda zamrażania górotworu przy użyciu agregatów mrożeniowych zo

s t a ł a uznana za jedyną metodę, która na obecnym e ta p ie opanowania mo

g ła p rzy n ieść w tych warunkach re z u lta ty z oczekiwaną dużą pewnością p rz e d się w z ię c ia . W wyniku d y sk u sji uznano, że mrożenie to j e s t niezbęd

ne dla n astęp u jących odcinków projektowanych ezybów / l i c z ą c od spągu nadkładu /:

- od 711,5 do 585,5 m - z uwagi na konieczność p r z e jś c ia s ła b e j war

stwy piasków alb u oraz pokonania spodziewanych dużych dopływów wo

dy do szybu p rzek raczający ch 5 m^/min.,

(6)

84 J.MałoszewBki - od 58 5,5 do 560,0 - z uwagi M sąsiedztw o z n iebezpieczną warstwą

piasków a lb u ,

- od 551 do 532 a - z uwagi na konieczność p r z e jś c ia słabych, zawod

nionych m arg li,

- od 532 do 4 5 9 ,5 m - z uwagi na konieczność zapewnienia odpowied

nich warunków bhp zatrudn ion ej przy g łę b ie n iu zało d ze /u n ik n ię cie wpuszczenia wody do szybu mrożonego/,

K arzuciło to natychmiast długość mrożonego odcinka od g łę b o k o ści ok. 440 m do głęb o k o ści ok. 710 m.

Do dalszych rozważań w zięto pod uwagę dwa schematy zamrażania góro

tworu:

- zamrażanie górotworu jednym odcinkiem /dwuetapowo/ do g łę b , 0 ,0 do ok. 710,0 m,

- zamrażanie górotworu dwoma odcinkami, t j . od 0 ,0 do 170,0 m i od 440,0 10 do ok, 710,0 m, przy założeniu w iercenia otworów z po

w ierzchni, co umożliwia zm niejszenie przestojów w c z a sie g łę b ie nia szybu oraz skraca i ułatw ia sam proces y d erce n ia,

P odjętą w czasie dyskujsji propozycję odcinkowego mrożenia z z a sto sowaniem poduszki powietrzne .i odrzucono z uwagi na niewspółmiernie duże tru dn ości natury tech n iczn ej v* porównaniu du przewidywanych e fek tów, Trudności te w anikają z:

- wymaganych wysokich c iśn ie ń sprężonego pow ietrza /o k.60 kG/cm2/ , t j . 6 UPa/,

- zwiększonych Dporów przepływ u medium ch ło d zącego w podwójnych rurkach ługowych,

- konieczności s p e c ja ln e j k o n stru k c ji i wyposażenia otworów mro- żeniowych w podwójny system wysokociśnieniowych rurek ługowych oraz wysokociśnieniową /6 0 kG/cm2 , t j . ok. 6 KPa/ armaturę i in s t a la c ję sprężonego pow ietrza.

Przewidywane efekty ekonomiczne, wynikające z zastosow ania podusz

k i pow ietrzn ej, sprow adzają s i ę do zm niejszenia i l o ś c i potrzebnych agregatów mrożeniowych: efekty te można również osiągn ąć w p ro stszy sposób, np. sto s u ją c jedną z n iż e j podanych:

4 . Zamrażanie dwuetapowe od 0 ,0 do ok. 710,0 m,

B. Zamrażanie górotworu dwoma odcinkami, t j . od 0 ,0 do 170,0 m

i ok. 440,0 do ok. 710,0 m, przy doprowadzeniu i odprowadzeniu ł u - ( gij dwoma rurami w sz y b ie .

C. Zamrażanie gorotv7oru dwoma odcinkami jw ., przy doprowadzeniu i od

prowadzeniu ługu dwudziestoma rurami mrożę n i owymi.

W wyniku an alizy zestawiono n ajw ażniejsze parametry techniczne /odpowiednio do alternatyw ^{A ,} B i C/s

(7)

Problemy związane z zamrażaniem. . 85 Alternatywa

A B C

I l o ś ć agregatów s z t . 10 6 10

Sumaryczny c z a s mrożenia m-ce 6 ,5 6 ,4 7.5

I l o ś ć c ie p ła do odebrania

z górotworu min Ićcal 9963 4563 9963

Sumaryczny c z a s g łę b ie n ia

szybu do ok. 7 1° » ° ® m-ce 25,5 33,0x / 3 3 .0 * *

x / w tym 6 m iesięcy na wykonania komory mroź, na poz. 440 m,

xx./vi

tym 7 m iesięcy na wykonanie komory mroź. na poz. 440 m.

Porównanie altern atyw w skazało na t o , że n a jk o r z y stn ie js z ą metodą g łę b ie n ia pierw szych szybów w LZW, zapew niającą maksymalne powodzenie p rzed się w zięc ia oraz m in im alizu jąca cza s g łę b ie n ia , j e s t metoda g łę - b ien ia z zamrażaniem górotworu jednym odcinkiem /dwuetapowo/ od g łę b , 0 ,0 m do ok. 710,0 m, metodę t ę p rz y ję to do r e a l i z a c j i .

3 . PROBLEMY GŁĘBOKIEGO ZAMRAŻANIA GÓROTWORU IV WARUNKACH LUBELSKIEGO ZAGŁĘBIA WĘGLOWEGO

Metoda zam rażania górotworu stosowana j e s t w górnictw ie od ponad s t u l a t , le c z przez w iele l a t zak res j e j stosowania o g ra n icza ł s i ę w zasad zie do g łę b o k o śc i około 300 m. W tych warunkach do projektowania i sterow ania procesów zamrażania górotworu w y starczała praktyka i po

bieżna znajomość przebiegów zamrażania w górotw orze, 17 o sta tn ich k i l kunastu la ta c h głębo k o ść zamrażania szybko wzrosła i w w ielu przypad

kach przek roczyła 500 m. ffraz ze wzrostem g łęb o k o ści zamrażania oka - z a ło s i ę , że nie w ystarcza stosow ania uproszczonych schematów ob licze

niowych i wysokich współczynników pewności: n a le ż a ło sięgn ąć do i s t o ty zjaw isk zachodzących w górotworze i i n s t a l a c j i mrożeniowej.

Przeprowadzone prace te o re ty c z n e , doświadczalne i wdrożeniowe do

prowadziły do sformułowania wniosku, że tech n ologię zamrażania do większych g łę b o k o ści n a le $ oprzeć na nowych z a ło że n iach , przew idują

cych znaczne uintensywnienie procesu wymiany c ie p ła między górotworem i i n s t a l a c j ą mrożeniową.

Z ałożenia te stanow iły podstawę opracowanych projektów zamrażania gó

rotworu do g łę b o k o śc i ok. 710 m w warunkach Lu belskiego Zagłębia Wę - glow ego. Uintensywnienie procesu zamrażania górotworu o sią g n ię to tam poprzez:

- zastosow anie r u r mrożeniowych

t

141/123 mm i polietylenowych rurek ługowych

t

75/66 mię,.

- zw iększenie wydatków przepływu so lan k i w poszczególnych otwo - rach mrożeniowych do w arto ści 400-500 l/m in . i zapewnienie w p rz e strz e n i międzyrurowej warunków przepływu burzliwego Ra>3500

(8)

86 JJIJałoszewski - zastosowanie dwustopniowych agregatów mrożeniowych i obniżenie temperatury so lan k i wlotowej do szybu do -40°C w końcowym e t a pie zam rażania,

- znaczne zwiększenie mocy s t a c j i mrożeniowej w stosunku do do

tychczas obowiązujących kryteriów ,

- zastosow anie zróżnicowanego reżimu pracy urządzeń mrożeniowych:

w początkowym okresie praca przy maksymalnej w ydajności chłodze

n ia ,

w końcowym okresie zamrażania przy n a jn iż s z e j tem peraturze.

Zasadniczym celem projektow anej te c h n o lo g ii mrożenia górotworu by-o ło wytworzenie cylin d ra zamrożonej skały o nośności 33 kG/cm" / t j . ok.

3 ,3 KPa/ na głęb o k o ści 162 m oraz 117 kG/cm2 / t j . ok. 1 1 ,7 KPA/ na głęb o k o ści 588,4 m. Zgodnie z przeprowadzoną a n a liz ą oznaczało to wy

tworzenie cylin d ra zamrożonej skały o n astępujących param etrach:

- dla H = 162 m s wytrzymałość na śc isk a n ie /d o raźn a/ 40 kG/cmo /o k . 4 ,0 MPa/przy wysokości zabioru 4 ,0 m, - dla H = 5 88,4m : wytrzymałość na śc isk a n ie /d o raźn a/ 89 kG/cm2

/o k . 8 ,9 MPa/ przy wysokości zab io ru 2 ,0 m.

W celu o sią g n ię c ia tych parametrów przewidywano, że śred n ia tempe

ratu ra p łaszcza mrożeniowego powinna wynosić - 10°C na g łę b o k o ści l62m i -15°C na głęb o k o ści 588,4 nu

P rojekt mrożenia z o s t a ł opracowany na podstawie n astępu jących danych:

- średnica szybu w św ietle obudowy - D0 => 6 ,0 m - średnica koła otw.mrożenlowych / r y s . l / - Dm ¿ 1 4 ,0 m - głębokość otworów mrożeniowych - H ^ 712 m -d o p u szczali» odchylenie otworu

mrożeniowego od pionu - m = 6 0 cm/710 m

W przedmiotowym p ro jek cie określono n astępu jące param etry:

- grubość p łaszcza mrożeniowego do 170 m - B = 3 ,5 m do 710 m - B = 5 ,0 m - temperatura mrożenia do 170 m - t = - 30°Cz - temperatura mrożenia do 710 m - t_= - 40 C - il o ś ć otworów mrożeniowych - n ^ 44 s z t . - średn ica ru r mrożeniowych - 140/124/110 mm - średnica ru r ługowych - PB 7 5/66,4 mm - opory przepływu w ot w. mrożę ni owych

do 170 m - p = 0 ,4 8 a t do 710 m - p « 11 a t - całkowita il o ś ć c ie p ła do odebrania

z górotworu do 170 m - Q1 = 1.944.078.436 k c al od 170 do 710 m - q2 = 9.963.163.405 k c al

(9)

Problemy związana z zam rażaniem ... 87

H y s .l. Koło otworów mrożeniowych

I - otwór o d c iążając y I I - otwór kontrolny - rzeczy w ista wydajność agregatów mrożeniowych

do 170 m - - 2 z 500.000 k c a l/h .0 ,9 . 0,9=810.000 k c al/h do 710 m - a rzfl cz =10

x

500.000 k c a l/h 0 ,8 . 0,9=3.240.000 k c a l/h - c z a s mrożenia do 170 m - T = 100 dni

— c z a s mrożenia do 710 m - T = 196 dni P ro je k t d z i e l i ł mrożenie na dwa etapy i

— etap I ~ mrożenie od pow ierzchni do g łę b o k o ści 170 m, przy z a ło żonej śre d n ie j tem peraturze p łaszcza mrożeniowego -10 C i g ru b o śc i p ła sz c z a 3 ,5 n ,

(10)

_______ • J.M ałostew ekl - etap I I - mrożenie p o n iżej 170 m do g łę b o k o ści 710 m, przy zało  żonej śre d n ie j tem peraturze p łaszcza mrożeni owego - - 15°C i gru b o ści 5 t0 m / r y s . 2 . /

E T A P I

E T A P II

t y

V

Rj b. 2 . Obieg ługu w otworach mrożeniowych

(11)

Problemy związane 8 zamrażaniem».« 8?

Ten p o d z ia ł na etapy pozw olił na w cześn iejsze rozpoczęcie g łę b ie n ia szybu , gdyż mrożenia do 170 m wymsgałoj m n ie jsze j g ru b o śc i p łasz c z a mro

żeni owego. Ponadto te n p o d z iał by ł podyktowany obecnością warstw zawod

nionych, z a le g a ją c y c h w p rz e d z ia le g łę b o k o śc i 540 -r 710 m.

Przy o b lic z a n iu i n s t a l a c j i mrożeniowsj dla etapu I stw ierdzono, że do zamrażania górnego odcinka 0 r 170 m zastosowanej będą dwa agregaty mrożeniowe pracu jące przy param etrach pracy sp rę ż a re k : tem peratura sk ra

p la n ia + 35 °C , tem peratura parowania - 35 °C /tem p. ługu - 3 0 °C ./ Po za

kończeniu mrożenia górotworu w e tap ie I zakładano opuszczenia r u r ługo

wych polietylenow ych do g łę b o k o śc i 710,0 a .

Przy o b lic z a n iu i n s t a l a c j i mroźenlowej stw ierdzono, że do zamraża

nia górotworu w dolnym odcinku zastosowanych będzie 10 agregatów mrożę- niowych pracu jących :

- przez 60 dni przy param etrach sp rę żarek i temp. sk ra p la n ia + 35°C*

temp. parowania - 35°C , których łączna wydajność w yniesie 3.240.000 k c a l/h ,

- przez 196 dni przy param etrach pracy sp rę ża rek i tem peraturze sk ra p la n ia + 3 5 °0 , tem peraturze parowania - 45°C /tem p. ługu -40*b których łączn a wydajność w yniesie 1 .624.000 k c a l/h .

Czas mrożenia aktywnego górotworu wg p ro je k tu do g łę b o k o ści 710,0 m m iał wynieść 196 d n i, t j . ok. 7 m ie się cy .

Zakończenie mrożenia aktywnego uwarunkowane było osiągnięciem wyro

biskiem szybowym warstw s i l n i a zawodnionych piasków p y lasty ch z a le g a ją cych na g łę b o k o ści 585,5 - 588,4 m. Z uwagi na, ch arak ter s k a ł pon iżej warstwy przew odniej, p ro je k t przewidywał konieczność kontynuowania mro

żenia pasywnego. Mrożenie pasywne prowadzone będzie zgodnie z projektem 2 agreg atam i. Praca , tych 2 agregatów p rzeb iegać będzie do czasu z g łę b ia nia szybu na głębokość 710,0 m, po którym to c z a sie n a stą p i wyłączenie agregatów i stopniowe rozm rażania górotw oru.

V/ sk ład zaprojektow anej i n s t a l a c j i mrożeniowej / r y s . 3 / w chodziły:

- i n s t a l a c ja obiegu powierzchniowego, - i n s t a la c ja obiegu mrożeniowego, - układ budynków, fundamentów i kanałów.

I n s t a l a c ja obiegu powierzchniowego b ierze początek va głow icach 44 otworów mrożę n ic wy oh 1 zawiera 44 sztuk ru r PE odprowadzających solankę do zbiornika / 8 / o p o j. 18,5 oraz układ 9 pomp typu SicVO 21388 o wy

d a jn o śc i 6 ,0 nrVmin., tło c zący ch solankę do parowników / 2 / . I n s t a la c ja Obiegu m rożeniowego obejmuje układ dwunastu parowników / 2 / , stanow ią - cyćh in te g ra ln ą Część agregatów mrożę n i owych o w ydajności 0 ,5 min kcal/h oraz z esp ó ł ośmiu pomp 125 PIH 290 o w ydajności 3 ,0 a^/m in. i wysokości tło c z e n ia 129 m sł.HgO,, tło c zący ch solankę do głównych rurociągów dopro

wadzających a s tą d poprzez p ie r ś c ie ń ro zd zie lc zy s o la n k i, p ó łp ie rśc ie ń oraz 44 s z t . głow ic do otworów mrożeniowych / 9 / . Do z a s ila n ia i n s t a l a c j i wodnej słu ży zb io rn ik o pojem ności 250 ^{a ?} / 1 2 / .

(12)

90 ^J*Usło

8

^z«wBkl

R y s.3. Schemat urządzenia do zamrażania górotworu 1 . sprężarka 7 . zawór regu lu jący 2 . parownik 8 . zb iorn ik ługu 3. sk rap lacz 9 . otwory mrożeniowe 4 . chłodnia międzystopniowa 1 0 .pompy ługu 5 . o d o lejacz 1 1 .pompa wody 6 . zbiorn ik o le ju 1 2 .zb iorn ik wody

Agregaty mrożeniowe były zablokowane w ten sp osób , że cztery z nich 72x2/ słu ży ły wyłącznie do mrożenia szybu Samsonowicz i S U , a osiem mogło być przyłączanych do i n s t a l a c j i jednego bądź drugiego szy bu.

Widok fragmentu i n s t a l a c j i mrożeniowej przedstaw ia r y s . 4 .

W ce lu k o n tro li przebiegu procesu zamrażania zaprojektowano sp ecjaln y układ aparatury kontrolno-pomiarowej, r e je s t r u ją c y n astępu jące parame

tr y :

- tem peraturę i c iśn ie n ie so la n k i, - tem peraturę wody ch ło d zącej,

- temperaturę powietrza atm osferycznego, - tem peraturę w otworze kontrolnym.

Układ tan również sygnalizow ał ubytek so lan k i oraz przerwy wypływu so

lan k i z otworów mrożeniowych. Odczyty wskazań czujników i ich r e je s t r a c ja odbywały s i ę na sp e c ja ln ie skonstruowanym p u lp ic ie kontrolno - po

miarowym / r y s . 5 . /

(13)

Problemy związane a zamrażaniem..«.

R y s.4 . Fragment I n s t a l a c j i mrożeniowej

R y s.5 . P u lp it kontrolno-pomiarowy typu PBI-1 do k o n tro liP u lp it kontrolno-pomiarowy typu PBI-1 do procesu zamrażania górotworu

(14)

a r

... -... - ^. Praktyka g łę b ie n ia szy bór w IZW p otw ierd ziła uzyskanie projektow a

nych parametrów: w wyniku zamrożenia górotworu z o s t a ł wytworzony c y lin der mrożeniowy o wymaganej g ru b o śc i, o sią g ają c y wytrzymałość doraśśną w warstwie niebezpiecznego alb u co najm niej 58-95 kG/cm2 /o k ,5 ,8 - 9,5 MPa/, przy tem peraturze pon iżej -17°C /dane otrzymane z próbek pobra

nych w szybie Samsonowicz/. Umożliwiło to bezawaryjne p r z e jś c ie i za

bezpieczenie obudową tubingową niebezpiecznego odcinka. Pewnemu wydłu

żeniu u le g ł czas zamrażania - spowodowane to z o s ta ło zakłóceniam i w procesie g łę b ie n ia •

4 . WNIOSKI

* *

--V i ‘

Bezawaryjne i pewne p r z e jś c ie niebezpiecznego odcinka piasków alb u wykazało, że opracowana nowa tech n ologia zamrażania górotworu zdała w p e łn i egzamin w warunkach przemysłowych przy głęb o k o ściach zamrażania górotworu do óOOrYOO m. W celu umożliwienia j e j stosow ania pon iżej tjch głęb o k o ści /a więc do głęb o k o ści 1000 m i p o n iż e j/ konieczna j e s t roz

wiązanie m .in. n astępujących problemów:

- udoskonalenie te ch n o lo g ii w iercenia otworów mrożeniowych /przede wszystkim poprawa pionow ości/,

- nowa k o n stru k cja ru r mrożeniowych przystosowanych do zamrażania p o n iżaj 500 a , / ' * * 0" * * * 0’ * « o sIbM - t .> .a « a

- nowe konstrukcje agregatów mrożeniowych i pomp solankowych o większych w ydajnościach,

- udoskonalenie aparatu ry kontrolno-pomiarowej do k o n tro li procesu zamrażania górotw oru,

- opracowanie obudów wodoszczelnych o n ośności 80-120 kG/cm2 t j . ok. 8-12 MPa/.

Rozwiązanie tych zagadnień przyczyni s i ę do ro zszerze n ia zakresu stosowania opracowanej te c h n o lo g ii, a w konsekwencji stworzy możliwość udostępnienia w ielu nowych złó ż na dużych g łę b o k o ściac h .

LITERATURA

[l] CHUDEK M ., ŻYLIŃSKI R .: Zagadnienie wytrzym ałości s k a ł zamrożonych w aspekcie opty m alizacji mrożeniowej metody g łę b ie n ia szybów. Ze - szyty Naukowe P o lite c h n ik i Ś l ą s k i e j, Górnictwo z . 71, Gliwice 1976.

[2j KŁECZEK Z .: Stan naprężenia i odk ształcen ia zamrożonego górotworu w otoczeniu'szybu jak o fu n k c ja ,ę sa s u . Zeszyty Naukowe ASH, Górnic

two z . 37, Kraków 1971.

[³] MA LOSZEWSKI J . j Budownictwo górnicze w Polsce Ludowej. Wiadomości Górnicza,

**'$*$¡¿¿9** uovi

(15)

Problemy związana z zamrażaniem»» 93 [⁴] MALOSZEV/SKI J . s Technologia wykonywania szybów dla je d n o stk i p l l o -

tująco-wydobywczej w LZW. Zeszyty Naukowe P o lite c h n ik i Ś lą s k ie j Górnictwo z . 85 - 1978.

[5] SŁAWKOWSKI G .I .s Sooruśenle stv o ïo v Śacht specialnym l metodami.

Moskva 1965.

[é] POSYŁEK E . : A naliza przeb iegu zamrażania górotworu w warunkach Ryb

n ick iego Okręgu Węglowego. Budownictwo Górnicze 1971, nr 1 . [7] POSYŁEK E . , WOLAÎÏSKA T .: N iektóre w łasn ości fizy czn e zamrożonych

roztworów. Budownictwo Górnicze 1975, n r 1 .

js] ÏRUPAK N .G .s Zamorazivanle górnych porod p r i prochodke uùvoiov.

iïoükva 1954.

¡9] ŻYLIŃSKI R .s Zagadnienie s ta te c z n o ś c i ociosów w szybach głębionych metodą zamrażania s k a ł . P rzegląd Górniczy 1973, nr 5 .

BOnPOCH C3H3AHHHE C 3AMPAKHBAHHai TOPHOrO SI AC CUBA nPH IIPOXOJIKE CTBOJIOB B JDOEEJIŁCKOM YTOJIbHOM EACCEJÎHE

Pe3T0Me:

Onpejejreiwe paaBeflo^HŁmz HcntiTaHKHMH

jF.x'éjiKe

rHgporeojroravecKHe ycjioBM

b nJiacTax cKpfciBniHX nopofl KapGoHa JE/B npeAonpe^ejiujH HeoSxogHMociB npurene - hhh npn npoxo^Ke nepBttx ctbojiob ocoóoro M eioga.

ITocjie npoBeaeHHs BHHMaTejibHoro aHajin3a H3fipaH0 MeTog 3ai:epKXBaHHH ropnoro iiaccHsa A o rayÓHHH 700 m. HaciOHmaa CTaTŁH coflepaaT npe^BapuTeiiŁHoe oâcyac- fleHHe u ncflcyiOTHpoBamie p a S o i cBjisaHbix c noflSopou h cnTHMajra sagaek lexn o - a o raz 3aMopaxHBaHHH ropHoro MaccHBa b yc.ioBunx JI7E.

PROBLEMS OP OROGEN FREEZING IN SHAFT SINKING AT THE LUBELSKI COAL BASIN S u in m a r y

During prelim in ary surveys d i f f i o u l t hydro-geolo g io co n d ition s have been enoountered in the overlay s t r a t a of the LCB oarbon th at determined spe

c i a l measures w hile sin k in g the f i r s t s h a f t s . A fte r c a re fu l a n a lis y s fre e z in g up to 700 meters has been deoided. The p ap ier e v a lu ate s p r e l i

m in arily the works connected with the choice and optim izatio n o f techno

lo g ie s In s h a ft sin k in g in the L u b elsk i B a sin .