Материал: Технология строительства подземных сооружений. Специальные способы строительства

последней колонки системы он удаляется в атмосферу через специальную трубу 2.

В сравнении с рассольным способом замораживание грун­ тов жидким азотом имеет ряд преимуществ: не требует при­ менения специальных машин и установок; применяют прос­ тое, компактное, легко транспортируемое оборудование. Бла­ годаря этому, упрощается организация работ и снижаются производственные затраты; замораживание пород осуществля­ ют без применения рассольной системы и насосов и потерь холода в них; время, затрачиваемое на подготовительные работы, значительно сокращается; низкая температура кипения (испарения) жидкого азота обеспечивает минимальное время

довольно редко. Широкое внедрение в практику заморажива­ ния пород жидким азотом сдерживается не только его сравни­ тельно высокой стоимостью, но и тем, что некоторые вопросы, связанные с технологией замораживания,, еще решены не в пол­ ной мере. В связи с этим надо полагать, что при дальнейшем совершенствовании технологии замораживания грунтов жид­ ким азотом способ найдет применение при ликвидации внезап­ ных прорывов воды или плывуна в проходимые другими спо­ собами горные выработки; выполнении срочных подземных ра­ бот в водонасыщенных породах в практике городского строи­ тельства подземных сооружений небольших размеров.

Развитие химической промышленности, а также достиже­ ния криогенной техники на сегодняшнем этапе позволяют ре­ комендовать принципиально новый способ замораживания по­ род при строительстве подземных,сооружений в неустойчивых водоносных породах.

Предлагаемый способ замораживания основан на отборе тепла из окружающего массива пород через те же колонки, что и при рассольном замораживании, но не с помощью жид­ ких хладоносителей, а с помощью твердых криоагентов, кото­ рые периодически загружают в замораживающую колонку до тех пор, пока не будет создано ледогрунтовое ограждение тре­ буемых размеров.

Твердый криогент благодаря теплу, поступающему из мас­ сива горных пород сублимирует, т. е. переходит из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое, при этом в зависи­ мости от типа и свойств твердого криоагента температура суб­ лимации может быть от —50 до —264 °С. По. мере сублимации в колонке интенсивно накапливается газообразный криоагент и благодаря увеличению давления газообразный криоагент под­ нимается по глубине замораживающей колонки на поверх­ ность и уходит в атмосферу, осуществляя тем самым канали­

зацию тепла из массива горных пород. Скорость сублимации твердого криоагеита будет зависеть от теплопритока из окру­ жающей среды.

•Поддерживая заданный уровень криоагента, в колонке со­ здают условия для непрерывного замораживания грунтов до заданных размеров.

Вкачестве твердых криоагентов для замораживания пород

впринципе могут быть использованы любые химические веще­ ства, обладающие свойством сублимации при низких отрица­ тельных температурах.

Анализируя современные криоагенты с точки зрения техно­ логии их получения, дефицитности, безопасности, стоимости, можно констатировать, что на сегодняшний день развития тех­ ники и технологии наиболее приемлемым для промышленного применения при замораживании пород является диоксид угле­ рода С02, называемый иногда «сухим льдом». «Сухой лед»

используют при охлаждении пород через скважцны, пробурен­

связи между молекулами диоксида меняется и он переходит из одного в другое агрегатное состояние. При давлении ниже 0,517 МПа точка тройной фазы диоксида углерода может на­ ходиться только в двух агрегатных состояниях — твердом или газообразном.

При нормальном атмосферном давлении (0,101 МПа) тем­ пература сублимации твердого диоксида углерода составляет

давлениях, превышающих 0,517 МПа, диоксид углерода в за­ висимости от температуры может находиться в любом из трех агрегатных состояний.

Твердый диоксид углерода (твердая углекислота) представ­ ляет собой кристаллическое тело белого цвета, плотность кото­ рого в зависимости от способа получения может колебаться в пределах 1110—1700 кг/м3.

С практической точки зрения наибольший интерес представ­ ляет собой величина удельной теплоты сублимации, т. е. коли­

тепла из окружающей среды газообразным диоксидом углеро­ да до понижения тем-пературы газа до 0°С теплота сублима­ ции (хладопроизводительность) составляет 638 кДж/кг.

Твердый диоксид углерода обладает весьма важным и ин­ тересным с практической точки зрения свойством. Он хорошо

растворяется в труднозамерзающих жидкостях, при этом в от­ дельных жидкостях в зависимости от соотношения количеств смешиваемых веществ температуру смеси можно довести до

— 100 °С.

Твердый диоксид углерода обладает свойством понижения температуры сублимации в зависимости от температуры и ско­ рости окружающего воздуха. Такое свойство является, с одной стороны, положительным и может быть использовано при об­ основании и разработке эффективных технологий заморажива­

Газообразный диоксид углерода не горит и не поддержи­ вает горения. При атмосферном давлении и нормальной темпе­ ратуре он является нёактивным соединением, тяжелее воздуха примерно в 1,5 раза.

Источниками получения углекислого газа, идущего на про­ изводство жидкой углекислоты и твердого диоксида («сухого льда»), являются природная углекислота спиртового брожения, получаемая на спиртовых, пивоваренных и ^лесогидролизиых заводах, углекислота химических производств (газонефтеочис­ тительных заводов, газа при производстве синтетического ам­ миака), метанового и этанового брожения, дымовых газов топ­ лива, углекислоты естественных источников.

Технологический процесс получения «сухого льда» состоит из трех стадий: получение чистого углекислого газа, жидкой углекислоты и «сухого льда».

Наиболее распространенными способами получения «сухого льда» являются: дросселирование жидкой углекислоты до дав­ ления ниже тройной точки и прессование полученного рыхлого снега; медленное испарение жидкой углекислоты, находящей­ ся под давлением 0,7—0,9 МПа, с частичной сублимацией об­ разовавшейся твердой углекислоты и отводом паров через по­ ры блока.

Твердый диоксид углерода («сухой лед») вырабатывают ли­ бо на специальных заводах, либо используют автономные сухоледные установки.

В настоящее время «сухой лед» преимущественно выраба­ тывают на специальных заводах. При этом твердый диоксид углерода выпускают в виде брикетов массой до 120 кг. Потре­ бителям диоксид углерода доставляют в специальных изотер­ мических емкостях.

Технология получения «сухого льда» в основном ориенти­ рована на нужды пищевой промышленности, Которая предъяв­ ляет повышенные требования к его качеству и наличию раз­ личного рода примесей в газах С 02.

При использовании твердого диоксида углерода в практике замораживания пород требования к качеству и наличию при1-

месей могут быть резко уменьшены, что позволяет снизить стоимость производства «сухого льда».

В последнее время получили распространение автономные сухоледные установки, работающие по каскадному циклу, с использованием в качестве исходного сырья жидкого низко­ температурного диоксида углерода. На этих установках полу­ чают твердый диоксид углерода в виде небольших элементов заданных формы и размера массой 10—200 г.

Особый интерес для целей замораживания пород представ­ ляют сухоледные агрегаты, оснащенные грануляторами (таблетерами). Это наиболее простые и компактные устройства, состоящие из изотермической емкости для доставки и хране-

.ния жидкого диоксида углерода, гранулятора и оборудования, реконденсации углекислого газа со служебной холодильной установкой. Элементы «сухого льда» формируют путем прес­ сования снегообразной массы и выдавливания ее через отвер­ стия экструдера.

Масса элементов твердого диоксида углерода задается по­ требителем и может изменяться от 10 до 50 г.

Для хранения и транспортировки мелкофасованного «сухо­ го льда» применяют контейнеры типа сосудов Дьюара вмес­ тимостью 100 кг. Для транспортирования «сухого льда» ис­ пользуют изотермические железнодорожные вагоны. На корот­ кие расстояния «сухой лед» иногда перевозят в открытых гру­ зовых машинах.

Анализ закономерностей изменения свойств твердого диок­ сида углерода в зависимости от внешних условий и воздейст­ вия позволил обосновать и предложить ряд новых технологи­ ческих схем замораживания пород. Наиболее простой является технологическая схема, при которой замораживание пород осу­ ществляют через заглушенные в нижней части трубы (в даль­ нейшем называемые «колонкой» по аналогии с рассольным способом замораживания), которые периодически по мере суб­ лимации заполняют твердым диоксидом углерода. Благодаря притоку тепла из окружающих пород диоксид углерода суб­ лимирует и в зависимости от давления в колонке температура

превышало 0,528 МПа (давление тройной точки). Газ диокси­ да углерода ло мере его накопления поднимается вверх, и прой­ дя всю колонку по высоте, выбрасывается наружу. Колонка в верхней части должна быть открытой для свободного выхода газообразного диоксида углерода в атмосферу. Это требова­ ние вызвано тем, что в результате сублимации 1 кг твердого диоксида углерода образуется 500—800 л газообразного С02, и в случае герметизации колонки может резко .подняться дав­

ление внутри ее, что может привести к разрыву колонки и рез­ кому повышению температуры сублимации.

Для равномерного замораживания пород на заданную вы­ соту уровень диоксида углерода в колонке должен поддержи­ ваться примерно постоянным, равным высоте замораживания.

Оценивая рассматриваемую технологическую схему с по­ зиции эффективности теплообмена, следует .заметить, что в ко­ лонке происходят сложные тепло-массообменные процессы. На участке расположения твердого диоксида углерода для по­ лучения минимально возможных температур замораживания необходимо стремиться к тому, чтобы был плотный контакт между диоксидом углерода и стенкой колонки, что позволяет добиться отвода тепла от породы по законам теплопроводно­ сти. При плотном контакте твердого диоксида углерода со стенкой колонки температура последней будет близка темпера­

ности стенки колонки сформируется паровая прослойка-, кото­ рая может рез!ко ухудшить условия отвода тепла и увеличить перепады между температурой стенки колонки и температурой сублимации диоксида углерода.

Недостатком рассматриваемой схемы является сложность поддержания твердого диоксида углерода на заданной глуби­ не. Непостоянство уровня по глубине может привести к неод­ нородности формирования ледогрунтового ограждения или же непроизводительным потерям холода в верхних слоях масси­ ва, не подлежащих замораживанию.

Вышеперечисленных недостатков лишена схема заморажи­ вания пород, при которой в колонку на глубину замора[живания пород заливают жидкость, температура замерзания кото­ рой должна быть не выше температуры сублимации.' В жид­ кость загружают твердый диоксид углерода. В результате от­ бора тепла отжидкости она охлаждается й в свою очередь от­ бирает тепло от пород, окружающих колонку, что приводит со временем к формированию ледогрунтового ограждения требуе­ мых размеров..В процессе сублимации твердого диоксида угле­ рода выделяется большое количество углекислого газа COj, который, проходя через жидкость, вызывает ее бурное пере­ мешивание (как бы «кипение»).

Интенсивное перемешивание жидкости в замораживающей колонке («кипение») способствует интенсификации процесса теплообмена между жидкостью в колонке и породой. Процесс теплоотдачи в колонке при этом будет аналогичен процессу теплоотдачи при течении Жидкости при турбулентном режиме.

Основными преимуществами рассматриваемой технологии является ее простота реализации, возможность замораживания