2.2.1. Bản chất của phương pháp
Bản chất của phương pháp là biến đất đá, cát từ trạng thái mềm yếu, chứa nước thành trạng thái rắn cứng, liên kết chắc có độ bền cao. Vùng đất đá
được đóng băng có thể coi như rắn cứng và do đó có thể tiến hành việc khai
đào bình thường.
Khi giảm nhiệt độ của cát đến mức độ làm nước đóng băng lại thì độ bền của khối tăng lên. Nhiệt độ càng thấp thì độ bền của khối đá đóng băng càng lớn. Biểu đồ sự phụ thuộc độ bền của đất đá theo nhiệt độ được thể hiện trên hình 2.2.
Hình 2.2. Thay đổi độ bền của đất đá theo nhiệt độ 1. Cát được đóng băng 2. Đất bùn được đóng băng, 3. Sét được đóng băng 4. Nước được đóng băng.
Qua đồ thị ta thấy rằng cát chứa nước đóng băng tăng độ bền rất nhanh.
Các loại khác như sét, bùn, nước phát triển độ bền chậm hơn.
Cát bão hòa nước đóng băng khi ở nhiệt độ -10oC cho độ bền nén 115 kG/cm2, ở nhiệt độ -20oC độ bền nén sẽ là 180 kG/cm2. Một điều cần chú ý là nước trong cát khi đóng băng giữ vai trò là xi măng gắn kết các hạt cát lại. Vì lẽ
đó, nếu cát bão hòa nước thì khi đóng băng sẽ có độ bền cao hơn. Nhưng nếu cát chứa quá nhiều nước (thừa) thì độ bền của cát đóng băng sẽ giảm do độ bền của nước đóng băng thấp so với cát chứa nước đóng băng. Sự phụ thuộc độ bền cát chứa nước được đóng băng được thể hiện hình 2.3.
Qua đồ thị ta thấy rằng cát chứa nước gần bão hòa đóng băng sẽ có độ bền cao nhất và do đó có phương pháp đóng băng nhân tạo rất hữu hiệu với cát chứa nước.
0 20 40 60 80 100 120 140 W, %
Độ chứa nước cuả cát
Độ bền tỷ đối của cát khi đóng băng
n t2
n t1
100t1
100 t2
t =-20°C
t =-15°C
Hình 2.3 Mối quan hệ giữa độ bền của cát khi đóng băng với hàm lượng nước khác nhau
2.2.2. Công nghệ đóng băng nhân tạo
Người ta tạo ra các lỗ khoan trong địa tầng cát có nước. Trong ống làm lạnh sẽ chuyển động làm lạnh. Nhiệt độ của chất làm lạnh có thể đạt 35oC. Chất làm lạnh thường là dung dịch CaCl2.
Khi trao đổi nhiệt độ với lớp cát thì nhiệt độ của cát giảm đi, nhiệt độ dung dịch làm lạnh tăng lên. Quá trình diễn ra như vậy cho đến khi xung quanh lỗ khoan hình thành vùng đất đá đông cứng có bán kính cần thiết ứng với thời gian làm đông cứng xác định nào đó (thời gian này phụ thuộc nhiều yếu tố mà ở đây không trình bày).
Khi khoan nhiều lỗ khoan đóng băng và xếp theo hình dạng nhất định ta sẽ có
được vùng đất đá đóng băng cần thiết.
Để có thể tiến hành đào công trình bình thường người ta phải tạo được vòng đá
gia cường có đủ khả năng ngăn chặn áp lực nước, áp lực mỏ khi đào công trình. Chiều dày của vòng đá đóng băng xác định theo công thức:
1),
2 ] [
]
( [
R P
E
cm (2.6) Trong đó:
R- Bán kính cần đào của đường lò, cm;
[ ]- ứng suất nén cho phép của cát đã đóng băng, kg/cm2;
P- Giá trị lớn nhất của áp lực tác dụng từ bên ngoài vòng cát gia cường, kG/cm2. Với lò bằng, chiều dày lớp đá cát đóng băng xác định theo[1]:
h k P
k
d n .
2 . . 3 . 1
; m (2.7)
ở đây:
kn- Hệ số an toàn;
k1- Hệ số tỉ lệ, k1 = 1,2-1,5;
P- áp lực mỏ lên lớp đá đóng băng, MPa;
H- ChiÒu cao 1 chu kú, m;
- Giới hạn bền của đá đóng băng ở thời điểm thi công lò, Mpa.
Bán kính của tâm lỗ khoan đóng băng đến tâm đường lò (R1) được xác định công thức sau:
R1 = R + E/2; m (2.8)
Để kể đến độ lệch lỗ khoan m và mức độ truyền nhiệt về hai phía của lỗ khoan không đều (tỷ lệ 6/4). Bán kính của tâm lỗ khoan để đóng băng R2 được xác định công thức sau:
R2 = (R + m + 0,6E) ;m (2.9) Số lỗ khoan đóng băng được xác định công thức sau:
N = 2.(R+m+0,6E)/l ; lỗ (2.10)
l- Khoảng cách giữa hai lỗ khoan (khoảng cách này phụ thuộc vào thời gian
đóng băng, nhiệt độ dung dịch làm lạnh, đặc điểm của môi trường, công suất trạm làm lạnh…thông thường l = 0,8-:-1,3m.
Sơ đồ công nghệ đóng băng cát đá khi đào lò bằng, lò nghiêng hay giếng đứng về nguyên tắc không có gì khác nhau nhiều. Bố trí hệ thống lỗ khoan để đóng băng
đất đá có thể từ một vị trí khác hay từ gương lò đang đào. Sơ đồ bố trí hệ thống lỗ khoan đóng băng đất đá được thể hiện hình 2.4.
Hình 2.4. Sơ đồ làm lạnh từ vị trí khác nhau khi đào lò bằng 2.2.3. Điều kiện ứng dụng
Phương pháp đóng băng nhân tạo được ứng dụng trong khai đào tất cả
các loại đường lò trong đất đá cứng, mềm yếu chứa nước. Phương pháp này rất hiệu quả để gia cường cát chứa nước tĩnh hoặc chứa nước có tốc độ nhỏ hơn 20m/ngày đêm.
Sự phụ thuộc giữa tốc độ nước, khoảng cách lỗ khoan và tỷ lệ nhiệt độ làm lạnh, nhiệt độ cát được thể hiện hình 2.5.
Tỷ lệ nhiệt độ làm lạnh được xác định công thức:
t
kT (2.11)
Trong đó:
T- Nhiệt độ của chất làm lạnh;
t - Nhiệt độ của cát cần gia cường ban đầu.