Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ опыта ведения взрывных работ в сложных мерзлот но-гидрогеологических условиях 9
1.1. Краткая характеристика состояния горных работ и оценка мерзлотно-гидрогеологических условий 9
1.2. Анализ исследований и практики ведения взрывных работ в условиях обледенения скважин 13
1.3. Анализ существующих методов ведения взрывных работ в обводненных условиях 17
1.4. Цель, задачи и методы исследований 25
2. Исследование факторов, определяющих условия обледенения взрывных скважин 27
2.1. Анализ методов и результатов исследований температурного режима пород в скважине... 27
2.2. Разработка требований для создания аппаратуры и методики проведения исследований 30
2.3. Исследование температурного режима во взрывных скважинах 39
2.4. Исследование процессов обледенения взрывных скважин 47
2.5. Исследование влияния внешних факторов на процесс обледенения взрывных скважин 56
3. Гидрогеологические исследования взрывных скважин в условиях островной многолетней мерзлоты 70
3.1. Методика исследований 70
3.2. Исследование влияния деятельного слоя на гидрогеологические условия скважин 77
3.3. Исследование способа понижения уровня грунтовых . вод. 89
4. Разработка рекомендаций по рациональной эксплуатации взрывных скважн
4.1. Определение объема восстановительных работ
4.2. Разработка средств и способов восстановления обледенелых скважин
4.3. Разработка рациональной технологии заряжания в период обводненности скважин,
4.4. Экономическая эффективность разработанных мероприятий
Заключение
Литература
Приложения
- Анализ исследований и практики ведения взрывных работ в условиях обледенения скважин
- Разработка требований для создания аппаратуры и методики проведения исследований
- Исследование влияния деятельного слоя на гидрогеологические условия скважин
- Разработка средств и способов восстановления обледенелых скважин
Введение к работе
Решениями ХХУІ съезда КПСС и постановлениями ЦК КПСС и Совета Министров СССР "О дополнительных мерах по ускорению развития добычи угля открытым способом в I98I-I990 годах" намечено дальнейшее наращивание экономического потенциала Восточных и Северных районов страны и повышение их роли в общесоюзном производстве промышленной продукции /1,2/.
Реальным воплощением этих планов стало строительство Байкало-Амурской железнодорожной магистрали, открывающее путь к созданию Южно-Якутского территориально-промышленного комплекса с минерально-сырьевой базой для ряда отраслей промышленности, стержнем которого является Нергонгринский разрез.
Район месторождения характеризуется суровыми климатическими и своеобразными гидрогеологическими условиями, обусловленными островным распространением многолетней мерзлоты, которая нарушает единство водоносного комплекса и создает специфические мерзлотно-гидрогеологические условия. Ведение взрывных работ в этих условиях осложняется обледенением и обводненностью взрывных скважин. Проблема состоит в потере скважин, осложнении процесса их заряжания, растворении ВВ и обледенении их межгранульного пространства, что приводит к частым отказам отдельных скважин и группы зарядов, ухудшающим качество подготовки горной массы.
Таким образом, исследование процессов обледенения и обводненности взрывных скважин и разработка рекомендаций по их рациональной эксплуатации в условиях островной многолетней мерзлоты являются важной народнохозяйственной задачей, успешное решение которой позволит повысить качество подготовки горной массы в этих условиях.
Целью работы является разработка рекомендаций по повышению эффективности использования взрывных скважин в условиях обледенения и обводненности, исключающих потери скважин и отказы зарядов при ведении работ в островной мерзлоте.
Идея работы заключается в разработке методов активного влияния на обводненность скважин и ледяные пробки в них, учитывающих особенности геокриологических процессов в условиях островной мерзлоты.
Методы исследований включают обобщение,анализ опыта ведения взрывных работ в условиях обледенения и обводненности скважин; наблюдения в промышленных условиях; термометрию; ка-вернометрию; резистивиметрию; методы математической статистики и математической физики с применением ЭВМ; физическое моделирование методом крутого восхождения; технико-экономический анализ полученных результатов.
" Научные положения, защищаемые автором:
зависимость скорости обледенения скважин от температуры пород сезонномерзлого слоя и притока воды;
многолетнемерзлые породы при развитии сезонноталого слоя являются условием обледенения взрывных скважин, а накопление в них надмерзлотных вод является источником их обводненности;
расчет продолжительности сохранения скважин в период обледенения необходимо проводить по разработанной математической модели, учитывающей влияние температуры пород, приток воды;
планирование ассортимента ВВ можно проводить по разработанной номограмме с учетом влияния надмерзлотных вод;
разработанный способ взрывного разрушения ледяной пробки и технология заряжания с применением гидроизолирующей пробки позволяют повысить эффективность использования взрывных скважин
в условиях островной многолетней мерзлоты.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертационной работе, обусловливается натурными исследованиями состояния взрывных скважин, необходимое количество которых определялось из условия обеспечения 9Ъ% уровня надежности полученных результатов; экспериментальной проверкой разработанных мероприятий; использованием методов планирования и обработки экспериментов; хорошей сходимостью результатов аналитических, лабораторных и натурных исследований.
ручная новизна проведенных исследований заключается в следующем:
на эффективность эксплуатации взрывных скважин в условиях островной многолетней мерзлоты влияет состояние деятельного слоя, которое определяет процессы их обледенения и обводнения;
установлены зависимости восстановления температурного поля вокруг скважин от продолжительности их существования и влияния температурного поля на процесс обледенения;
установлена аналитическая зависимость, определяющая продолжительность сохранения скважин в период обледенения. Дана расчетная формула, в которой учтены влияние температуры пород и скорость притока воды;
установлена зависимость количества обводненных скважин от времени года, в которой учтено влияние надмерзлотных вод.
Личный вклад автора в решении поставленных задач состоит: в исследовании зависимостей обледенения и обводненности взрывных скважин в условиях островной мерзлоты; в установлении зависимостей нарушения и восстановления температуры пород вокруг скважины после бурения и их влияния на процессы обледенения и обводненности; в разработке и экспериментальной проверке методов восстановления, осушения и заряжания взрывных скважин.
7 Практическая ценность работы заключается в разработке:
инженерных методик определения продолжительности сохранения скважин, расчета параметров взрывного восстановления и планирования ассортимента ВВ в виде номограмм;
устройства для измерения температуры пород и скважинно-го приспособления к нему, состоящего из корпуса с диском и датчика, снабженного коммутирующим элементом в радиальном канале и фиксатором (а.с. № 1066690 и положительное решение ВНИИГПЭ от 10 мая 1984 года по заявке № 3682094/03);
насадки веретенообразной формы для расплавления льда в скважине струями раскаленного газа (а.с. М I05I203);
технологии заряжания обводненных скважин в условиях мно-голетнемерзлых пород с использованием гидроизолирующей пробки, размещаемой в зоне мерзлых пород;
способа понижения уровня грунтовых вод, заключающегося в бурении скважин, размещении заряда и его инициировании после введения теплоносителя (а.с. Ш 909018).
Реализация результатов работы в промышленности.
Рекомендации по ведению взрывных работ и восстановлению обледенелых и заряжанию обводненных скважин приняты и внедряются на предприятиях производственного объединения Якутуголь.
Апробация работы.
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на УП Всесоюзной конференции ВУЗов СССР "Комплексные исследования физических свойств горных пород и процессов" (Москва, 1981); научно-технической конференции "Проблемы освоения минеральных ресурсов Якутии" (Якутск, 1982); школе передового опыта "Технология и организация буровзрывных работ на карьерах Севера" (Нерюнгри, 1984); юбилейной научной конференции
профессорско-преподавательского состава ЯГУ, посвященной 50-летию высшей школы Якутской АССР (Якутск, 1984); научном семинаре ИГДС ЯФ СО АН СССР (Якутск, 1984); объединенном заседании кафедр ТКШ РМПИ и ГЭМ Якутского госуниверситета (Якутск, 1984); Всесоюзной научно-технической конференции "Комплексная механизация ведения буровзрывных работ на горных предприятиях" (Красноярск, 1984).
По материалам диссертации опубликовано б научных работ, получено 3 авторских свидетельства и I положительное решение на изобретение.
Диссертационная работа изложена на 134 стр. машинописного текста, иллюстрирована 37 рисунками, содержит 10 таблиц, состоит из введения и четырех глав, общих выводов, списка литературы из 149 наименований и приложений на 26 страницах.
Анализ исследований и практики ведения взрывных работ в условиях обледенения скважин
В 1960-1975 гг. в гляциологии зародилось новое научное направление, посвященное изучению физики послойного намораживания воды на твердом основании. За эти годы оформились теоретические положения, установлены общие закономерности процесса намораживания воды на твердом основании /7/. Процесс постепенного заполнения горных выработок льдом в результате конденсации паров или намерзания подземных вод определяется как обледенение выработок. Продукты конжеляционного обледенения в горных выработках представляют своеобразные подземные наледи. По генезису наледеобразующих источников в зоне многолетнемерзлых пород различают наледи надмерзлотных, подмерзлотных и межмерзлотных вод.
Наиболее подходящими к обледенению скважин являются ос новные положения гидроледотермики, научным фундаментом которых являются теория теплопередачи и физические основы образования льда. Термодинамические и физические процессы горного производства при отрицательных температурах рассмотрены в работах В.В. Ржевского, С.А.Гончарова, А.П.Дмитриева, Ю.Д.Дядькина, Н.С.Иванова и других /8-II/. Теоретические положения льдообразования на твердой поверхности рассмотрены в работе А.И.Пехович /12/, где приведены данные о физических свойствах воды, льда и его разновидностей, инженерные вопросы теплофизики образования льда. Однако физические основы обледенения взрывных скважин изучены недостаточно.
Для изучения и объяснения этого явления заимствованы из гляциологии термины: наледь, наледный процесс, намерзание, кон-желяционное и сублимационное обледенение, ледяные сталактиты и пробки, ледяная корка, изморозь, термическое разрушение.
Авторы А.И.Богданец, Р.С.Пермяков, В.П.Подкалгок /13-15/ утверждают, что основным источником образования наледи в скважине являются надмерзлотные воды. При этом они считают наиболее неблагоприятным периодом для ведения буровзрывных работ лето. В это время атмосферные, грунтовые и талые воды поступают в скважину и там замерзают, приводя сначала к обледенению стенку скважины, образованию ледяных наплывов, а затем к полному заполнению их льдом. Процесс этот на карьере "Медвежий ручей" длится 7-9 суток. Для предотвращения этого явления скважины заряжают вслед за бурением. Однако не установлено оптимальное время заряжания и не разработаны эффективные методы борьбы с обледенением. Согласно /14/, потери скважин на предприятиях Норильского ГОКа в зимнее и весеннее время достигают ZQff0, причиной обледенения также являются надмерзлотные воды и многолетняя мерзлота. Кроме того, установлено разрушение устья скважи ны в летнее время, особенно в период дождей. Разрушение происходит в течение 2-3 суток, а в дождливую погоду за сутки.
Наиболее подробно процесс обледенения взрывных скважин изучен в работе Ю.И.Печенина /16/. Слабую изученность этого явления автор связывает с трудностью контролирования процесса. В работе установлена зависимость обледенения от времени года и поступающей воды. Глубина образования пробок при обледенении может быть различна, так как зависит от многих факторов. В работе установлено, что наиболее интенсивное перемерзание скважин происходит на глубине 0,5-1,0 м; в одних и тех же условиях обледенение происходит на разной глубине; образование наледи наблюдается при температуре пород -I -2С; предложена формула для определения глубины обледенения взрывных скважин. Однако формула включает показатели (доля оттаивания породы от полной ее глубины на момент определения; доля оттаивания породы от полной ее глубины на момент расчета; расстояние от уровня оттаивания породы до уровня перемерзання), которые можно найти только измерением. Это осложняет процесс расчета и затрудняет применение в производственных условиях. Для предотвращения обледенения скважин в работе предлагается теплоизоляция их устьев с помощью мешков из-под ВВ, опилок и бурового шлама. Известно, что это не прекращает оттаивание сезонномерзлых пород и поступление воды в скважину, поскольку такая теплоизоляция является местной, а сезонная оттайка идет по всей площади уступа, поэтому мероприятие приводит только к замедлению этого процесса. Таким образом, теплоизоляция устья скважины не является эффективным методом борьбы с обледенением.
В работах /17, 18/ предлагаются следующие методы борьбы с обледенением: оттаивание паром; растворение льда в скважине солями и предупреждение его возникновения; электротепловой способ расплавления льда коаксиальными, индукционными и накаливающимися нагревателями; расплавление льда термобурами. Перечисленные методы предназначены только для ликвидации пробок. Успешное применение этих методов на практике не известно, поэтому можно полагать, что перечисленные методы малоэффективны и требуют дополнительных капитальных затрат на приобретение компрессора, парогенератора, смесительной установки, трансформатора тока, термобуровой установки.
Наиболее эффективным мероприятием является заряжание скважин вслед за бурением /13,15,19/. Это освобождает от всяких мер предупреждения и борьбы с обледенением. Однако после заряжания в скважину поступают надмерзлотные воды и, проходя сквозь гранулы ВВ, заполняют весь заряд. При отрицательной температуре окружающих пород вода превращается в лед, разобщая гранулы ВВ, что безусловно снижает качество передачи детонации по заряду.
Для разрушения льда применяют различные методы воздействия /18/: механический, термический, химический, электрофизический и комбинированный. В работе обобщены сведения о современных физических методах и технических средствах разрушения льда. Однако все эти методы не приспособлены для разрушения льда в скважине. С этой точки зрения интерес представляют термические и взрывные методы разрушения. Теоретические положения взрывного разрушения твердых тел направленным действием заряда представлены в работе Ф.А.Баум /20/. Следует отметить, что действие кумулятивного заряда на ледяную преграду в скважине изучено недостаточно.
Как показал анализ работ, в настоящее время способы борьбы с обледенением взрывных скважин не эффективны, а существующие не приемлемы для сложных мерзлотно-гидрогеологических уСЛО
Разработка требований для создания аппаратуры и методики проведения исследований
Тепловые условия в скважинах, пробуренных в зоне распространения островной мерзлоты, существенно отличаются от пород с положительной температурой и сплошного распространения многолетней мерзлоты.
Главной особенностью проведения тепловых измерений во взрывных скважинах является то, что для проведения замеров остаются сжатые сроки, что- продиктовано темпами ведения горных работ. Обычно время существования взрывных скважин составляет от I до 10 суток. Оставленные на это время гирлянды с датчиками в скважинах примерзают к их стенкам, в результате вытащить их невозможно.
Следовательно, замеры необходимо производить передвижным датчиком с малой тепловой инерцией и отсчетно-измерительным устройством, позволяющим за короткое время получить результаты замеров.
Для достижения этой цели устройство для замера температуры в скважине должно отвечать следующим требованиям:1) предотвращать влияние конвективных потоков на показания датчика;2) обеспечивать точность не менее +0,1С;3) сохранять герметичность при малых габаритах датчика, позволяя проводить замеры температуры в воде, на контакте с породой и в воздухе;4) обладать малой инерционностью, сокращающей время выдержки на контакте с породой до 120-180 с;5) обеспечивать предотвращение износа датчика при передвижении его от одной точки замера к другой;6) гарантировать точное соблюдение расстояния между замерными точками;7) регистрировать температуру в градусах.
Приведенные требования продиктованы необходимостью оперативного ведения замеров, которое необходимо и при изучении теплообменных процессов между продувочным воздухом, стенкой скважины и буровым шламом в процессе бурения. Поскольку температура смеси быстро меняется в процессе бурения, то измерение обычными датчиками дает большие погрешности из-за их значительной инерционности; кроме того, их габариты не позволяют разместить датчик в межтрубном пространстве. В связи с этим датчик для измерения температуры воздушно-шламовой смеси должен обладать большой чувствительностью и малыми габаритами.
В соответствии с разработанными требованиями создано комплексное устройство для измерения температуры в скважине, включающее малоинерционный транзисторный датчик, прибор, регистрирующий показания датчика, скважинное устройство. Для измерения температуры воздушно-шламовой смеси усовершенствован малогабаритный датчик с использованием медь-константановой термопары /127,128/.
В качестве датчика выбраны германиевые сплавные, маломощные, низкочастотные, миниатюрные Р-П-Р транзисторы ГТ-І08, ГТ-І09. Корпус металлический (медный), герметичный с гибкими выводами, масса не более 0,1 гр. Значение почти всех параметров транзистора зависит от температуры (ток эмиттерного перехода, ток коллектора, коэффициент усиления по току), следовательно, такие транзисторы могут применяться для ее измерения.
Как известно, инерционность датчика зависит от теплопро водности материала корпуса и его массы. Использование транзисторного датчика с медным корпусом позволило сократить время выдержки на измеряемой точке до 150 с, при этом точность замера оказалась равной +0,1С.
Принцип работы термометра основан на зависимости параметров транзистора от температуры среды. Контрольно-измерительная аппаратура состоит из сопротивлений 1чз»К/,Й5,К , }7 и переменных сопротивлений К грубой настройки и Q.2. - точной настройки. Источник питания прибора состоит из двух последовательно соединенных элементов ЗЗЗбЛ. Для устранения погрешности измерений, связанной с разрядкой батарей и снижением активности в холодных условиях работы, в схеме применены стабилизаторы напряжения v и Уз хема включения транзисторного датчика V показана на рис. 2.1. В качестве индикатора использован микроамперметр. Собранный по такой схеме прибор градуирован с помощью образцовых термометров типа TP-I, ТР-2 с ценой деления 0,01-0,02С, помещенных вместе с датчиком в термостат. Шкала микроамперметра проградуирована в С. Предлагаемое устройство позволяет оперативно вести измерения температуры в скважинах и предотвращает примерзание датчика к стенке. Пределы измерения прибора, изготовленного в Якутском государственном университете, - +ЮС.
Конструкция датчика (рис. 2.2) обеспечивает максимальную площадь соприкосновения с объектом измерения и, благодаря применению теплоизолятора 1,3, сводит к минимуму отвод тепла от транзистора.
Корпус I выполнен из теплоизоляционного материала - текстолита. Датчик 2 (чувствительный элемент) вставляется в отверстие, место соединения выводных проводов изолируется эпоксидным клеем 3, позволяющим гидроизолировать соединение и од новременно являющимся теплойзолятором. Датчик соприкасается с объектом измерения только передней частью транзистора.
Выполненный таким образом датчик имеет малую тепловую инерцию. Для определения инерционности датчика проведены специальные замеры в воде и на контакте с породой. Время стабилизации показаний температуры в воде составило 90 с, на контакте с породой - 150 с.
Контрольно-измерительная аппаратура представляет собой переносной стрелочный прибор, показывающий по шкале температуру изучаемой среды (рис. 2.3).
Разработанный прибор работает в комплексе с "Устройством для измерения температуры горных пород в скважине (а.с. № 1066690) - Приложение I. Применение устройства позволяет осуществлять замеры, строго соблюдая определенный интервал по длине скважины, и контролировать правильную установку датчика температуры, а также использовать устройство в скважинах, осложненных кавернами. Конструкция устройства исключает износ датчика и нагрев от трения при перемещении по скважине, а также влияние на его показания конвективных потоков воздуха.
Для измерения температуры воздушно-шламовой смеси разработан датчик (рис. 2.4), состоящий из трубчатого держателя I, корпуса 2, изготовленного из теплоизоляционного материала, исключающего отвод тепла от датчика, защитной медной пластинки 3 , установленной:: в осевом канале, и термопары 4, припаиваемой к защитной пластине. Датчик устанавливается в межтрубное пространство против движущегося потока (рис. 2.4 6), где происходит торможение последнего только на медной пластине площадью 1,76 мм , остальная часть потока обтекает датчик с минимальным трением. Таким образом, медная пластина служит для восприятия температуры движущегося потока и передачи ее термопаре. Для проведения замеров применялись медь-константа-новые термопары в компенсационной схеме включения. Для регистрации показаний применялся потенциометр ПП-63 (класс точности 0,01).
Методика измерений в скважине предусматривает следующую последовательность:- измерение температуры воздушно-шламовой смеси в процессе бурения;- измерение температуры пород, воды или воздуха в скважине;- кавернометрия скважины после бурения.
Для измерения температуры воздушно-шламовой смеси в про
Исследование влияния деятельного слоя на гидрогеологические условия скважин
Изучение величины притока воды по рядам позволило установить увеличение его с удалением от откоса уступа. Приток воды в скважинах первого ряда минимальный, что объясняется развитием трещин в этой зоне, по которым вода дренирует в нижележащие горизонты. Стабилизация скорости притока наблюдается с Ш-ІУ рядов, так как здесь массив менее нарушен и дренаж воды в нижние горизонты отсутствует. Это говорит о возможности осушения уступов трещинообразованием с помощью взрывов.
В результате проведенных исследований фильтрация подземных вод обнаружена в 1Ъ% обследованных блоков. Максимальная скорость фильтрации наблюдалась в блоке, расположенном в зоне тектонических нарушений на гор. 930 м (участок "Западный"), и составляла от 0,8 до 2,7 м/сутки. В пределах отдельных блоков скорость фильтрации изменялась в широких пределах, что объясняется наличием естественных трещин, кольматацией их глинистыми материалами, а также затиранием трещин в процессе бурения.
Замеры скорости фильтрации по высоте столба воды позволили установить основные зависимости изменения фильтрационных свойств пород по высоте уступа. Общим для большинства вскрышных уступов является уменьшение скорости фильтрации с увеличением глубины (рис. 3.4). Интенсивная фильтрация наблюдается до глубины 8-12 м, что объясняется наличием сильнотрещиноватого верхнего слоя и наличием сезонноталого слоя.
С целью выявления места притока воды проведен термокаротаж взрывных скважин /143/. На рис. 3.5 представлен типичныйграфик термокаротажа, где представлены температуры пород и воды. Каротаж проводился два раза через сутки,- для того чтобы регистрировать приток воды в скважину. При первом замере высота столба воды составляла II м (глубина скважины 24 м), причем температура верхнего слоя воды (2 м) имела температуру се-зонноталого слоя, а ниже температура воды равнялась температуре пород. По мере поступления уровень воды в скважине повышался и происходило смешение поступающей воды с внутрискважинной, при этом температура верхнего слоя воды (2 2,5 м) также равнялась температуре сезонноталого слоя. Это говорит о том, что вода, имеющая наиболее высокую температуру, поступая в скважину, охлаждается и постепенно принимает температуру пород, что подтверждает ее надмерзлотное происхождение.
С целью установления гидравлической связи между скважинами проведены опытные откачки. По данным откачек построены графики ) fit). Установлена гидравлическая связь только между отдельными скважинами (прил. 3.1), откуда видно, что при откачке из центральной скважины уровень воды снижается только в одной из наблюдательных С$ I), и на третьи, сутки столб воды принимает статический уровень. На все остальные скважины (№2,. 3,4,5) откачка не влияет, что говорит об отсутствии гидравлической связи между ними. ..... .. .
Обработка результатов откачек способом временного прослеживания позволила построить графики зависимости ,5 - Т Щ ) , характеризующие изменение уровня воды при опытных откачках (рис. 3.6), На всех графиках выделяготся два участка /144/. Участок I характеризует влияние "двойной пористости" трещиноватых пород. Участок П связан с. макронеоднородностьго водоносного горизонта, т.е. характеризует трещиноватоеть пород. Таким образом, результаты опытных откачек показывают, что коллекто ром являются трещины и поры.
Одним из наиболее доступных методов изучения условий обводненности вскршияах уступов являются гидрогеологические съемки взрываемых блоков по состоянию уровня воды. По результатам съемок строились гидрогеологические карты блоков, на основании которых все блоки по характеру обводненности подразделены на 3 группы:- блоки, расположенные полностью или частично в зоне развития многолетнемерзлых пород;- блоки, расположенные в зоне радиационно-фильтрационных таликов; блоки, пересеченные тектоническими нарушениями. В свою очередь,, блоки первой группы разделены на 3 подгруппы :1. Блоки, полностью расположенные в зоне многолетнемерзлых пород (прил. 3.2). Характеризуются стабильным уровнем воды но всему блоку, кроме скважин первого ряда. Поступление воды равномерное, а статический уровень устанавливается на границе раздела фаз еезонноталого и сезонномерзлого слоев. Фильтрация наблюдается только в зоне еезонноталого слоя..;2. Блоки, расположенные в зоне многолетнемерзлых пород со сквозными таликами. Также характеризуются равномерным статическим уровнем, который приурочен к, нижней границе сезонноталого слоя.. В отличие от группы (І) в блоках имеются сквозные талики, где уровень воды ниже, чем в других скважинах. Наличие таликов установлено замерами температуры пород (прил. 3.3). Разрез по линии 1-І наглядно показывает наличие талика. Возможно дренирование надмерзлотных вод через него.3. Блоки, включающие отдельные линзы льда или водонасы-щенные породы в мерзлом состоянии. В них обводненные скважины располагаются небольшими кустами отдельно. В пределах одного куста уровень воды одинаковый, а в отдельных случаях снижает ся по периферии. В ирил. 3.4 представлен типичный блок, где имеется куст обводненных скважин, высота столба воды в которых составляет 10—II м. Такое явление объясняется наличием линзы многолетнемерзлых пород и ее оттаиванием. Вода при этом собирается в трещинах и порах и при бурении поступает в скважину. Равномерность распространения обводненных скважин по блоку объясняется кольматацией трещин льдом и мерзлым глинистым материалом, кроме того, они изолированы в нижней части мерзлым массивом.
Блоки, расположенные в зоне радиационно-фильтрационных таликов, характеризуются крайне неравномерным распространением воды как в плане, так и по глубине. В.прил 3.5 представлен блок № 88 на горизонте 930 м. Распространение обводнен ных скважин в блоке весьма неравномерное статический уровень колеблется в пределах I м.
Прослеживание установившегося уровня воды по рядам (рис. 3.7) позволило установить основные закономерности ее распре-деления, заключающиеся в следующем:- минимальный уровень воды наблюдается в первом и втором рядах, а в последующих повышается и стабилизируется в скважи . нах 6-7 рядов в многолетнемерзлых и 5-6 рядов в талых породах;- статический уровень воды в талых породах ниже, чем в многолетнемерзлых;- во всех скважинах максимальный уровень воды ниже деятельного слоя.Таким образом, в результате выполненных исследований установлено, что на статический уровень воды в скважинах влияют следующие факторы: I) атмосферные осадки, обилие которых непосредственно влияет не только на конечный уровень воды, но и на скорость притока;Z) наличие многолетнемерзлых пород;3) положение скважин относительно уступа.
Разработка средств и способов восстановления обледенелых скважин
Одним из методов восстановления скважин является расплавление льда термогорелками /17/. Однако имеющиеся ручные термогорелки работают в условиях разреза неэффективно из-за большого диаметра скважин (200-300 мм) - расплавления льда в них на все сечение не достигается /146/.
Для предотвращения этого недостатка ручных термобуров разработана веретенообразная насадка (а.с. I051203 в прил. 6).
Разработанное устройство применимо для типов обледенения 2,3,4. Для других типов обледенения разработаны способы восстановления кумулятивным и шпуровым зарядами.
Для восстановления обледенелых скважин предлагаются 2 способа:1) разрушение пробки шпуровым зарядом;2) пробивание ледяной пробки кумулятивным зарядом. Сущность первого способа заключается в бурении шпура вобразовавшейся пробке с последующим размещением и взрыванием в нем заряда ВВ.Разработка технологии связана с отысканием оптимальных параметров, существенно влияющих на протекание процесса.
Одним из методов отыскания математического описания и оптимизации процессов является выбранный нами для исследования метод Бокса-Уилсона /147/. Этот метод состоит из двух частей. Первая часть предусматривает поиск оптимального режима, который осуществляется по методу градиента. Направление же градиента определялось с помощью полного факторного эксперимента (ПФЭ).
Вторая часть метода предусматривает более полное изучение найденной околооптимальной области путем постановки дополнительных опытов. При этом аппроксимируют область полиномами 2-го и 3-го порядков. На практике это применяется, когда полученное линейное уравнение окажется неадекватным.
Для сокращения числа экспериментов отобрана группа управляемых переменных факторов: - высота ледяной пробки (L ), м;- глубина размещения заряда (Я ), м;- удельный расход ВВ ( Ц ), кг/м3.
Выбранные факторы удовлетворяют требованиям однозначности и управляемости, а совокупность факторов - требованию отсутствия между ними функциональной связи.
Поскольку цель исследований - полное разрушение ледяной пробки, критерием оптимальности могут быть два показателя: средний диаметр полости оОп и ее длина U Ц .
Изменение первоначального состояния ледяной пробки в результате взрыва характеризуется коэффициентом проработки пробки Кпр » который определяется отношениемгде S{ объем льда в скважине до взрыва, м3; рг- то же после взрыва.
В качестве главного параметра оптимизации принят коэффициент проработки пробки, поскольку он наиболее объективно отражает разрушение льда в скважине в результате взрыва. В качестве конкурирующего показателя принят диаметр образовавшейся полости
Показатель і_,П используется для дополнительного анализа.В матрице планирования параметры оптимизации обозначены следующим образом: 7V - коэффициент проработки пробки, Кпр ; - длина полости, и ц ;з(з - средний диаметр полости, оОп (м) Количество экспериментов по матрице определено согласно где /1 - количество переменных факторов (3 ); 2 - число уровней варьирования.
Полученная математическая модель процесса оценена при помощи критериев на:а) однородность дисперсии воспроизводимости;б) адекватность;в) существенность коэффициентов регрессии.Реализация матрицы планирования в производственных условиях нецелесообразна по следующим причинам:- планируемые в матрице опыты не гарантируют получение положительных результатов, так как восстановление обледенелых скважин взрывом производится впервые;- в производстве не обеспечивается выполнение экспериментов в одинаковых условиях.
В связи с этим возникает необходимость проведения экспериментов в лабораторных условиях, что позволяет сократить сроки проведения экспериментальных работ, снизить их стоимость и уменьшить число неуправляемых факторов, а в результате -получать воспроизводимые результаты.
Для выполнения экспериментов имитировался обледенелый шпур в пескоцементном блоке в лабораторных условиях. В качестве ВВ принят тэн, вес которого определен с учетом энергии ВВгде Q, - удельный расход ВВ, кг/м3; IX - объем ледяной пробки, м3. Диаметр шпура принят равным (Іщ_= 0,042 м. Ледяная пробка формировалась замораживанием воды. При этом в нижней части пробки предусматривался ледяной наплыв.Радиус образовавшейся полости в результате взрыва определялся с помощью шарнирного ромбовидного диаметро-мера.На рис. 4.2 представлен вид ледяной пробки после взрыва. Видная часть представляет минимальный диаметр полости.Объем льда определялся по формуле
