Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ современных способов проходки шахтных стволов 10
1.1. Анализ способов проведения вертикальных выработок методом бурения отечественный и зарубежный опыт 10
1.1.1 Комбайновый способ бурения стволов 11
1.1.2-Бурение стволов штанговыми буровыми установками 17
1.2 Горно-геологинеская, геокриологическая характеристика Сейдинского месторождения Печорского угольного бассейна 25
1.3.Физико-механические свойства многолетнемерзлых пород 35
1 АВыводы по главе 38
1.5. Цели и задачи исследований 39
ГЛАВА 2, Математическое моделирование процесса теплопереноса при бурении стволов и скважин большого диаметра в условиях распространения многолетнемерзлых пород 41
2.1.Основные технологические аспекты бурения стволов установками Вирт 41
2.2. Теоретическое обоснование способа бурения шахтных стволов для условий многолетнемерзлых пород 44
2.3. Анализ известных методик расчета температурного режима выработки при бурении в условиях ММП 50
2.4. Определение радиуса теплового влияния на массив многолетнемерзлых пород в процессе бурения толщи ММП 53
2.4.1 Методика определения коэффициента теплоотдачи от движущейся внутри бурового става среды 55
2.5. Определение основных источников тепловыделений в области поодерживающей жидкости при бурении основной части ствола 59
2.6. Математическое моделирование процесса распределения тепла через поддерживающую жидкость 48
2.7. Технологические решения по поддержанию ММП в соответствии с результатами математического моделирования 72
2.8. Выводы по главе 75
ГЛАВА 3 Расчет и обоснование параметров технологии 77
3.1. Типы промывочных жидкостей и их влияние на цементирующий ММП лед 77
3.1.1. Выбор поддерживающей жидкости для области ММП 85
3.1.2. Выбор промывочной жидкости 92
3.2. Определение гидродинамических параметров циркулирующих жидкостей 101
3.3.Определение основных параметров эрлифтных систем буровых установок 106
3.3.1. Принцип работы эрлифтного способа 106
3.3.2.Теоретический расчет эрлифтного гидротранспорта твердых материалов 108
3.3.2 Исследование характеристических линий эрлифтной установки 111
3.3.3 Влияние характеристик установки, свойств и концентрации твердого материала на характеристические линии эрлифта 112
3.3.4. Влияние глубины забоя на производительность эрлифта 113
3.3.5. Влияние глубины погружения смесителя на производительность эрлифта 114
3.3.6. Влияние высоты подъема на производительность эрлифта 115
3.3.7. Влияние диаметра бурильной колонны на производительность эрлифта 115
3.3.8.Влияние свойств выбуренной породы на производительность эрлифта 116
3.3.9. Влияние концентрации выбуренной породы на производительность эрлифта 116
3.3,10.Использование характеристических линий эрлифта 117
3.3.11.Установление функциональной зависимости между скоростью бурения и глубиной забоя 118
3.3.12.Ориентировочный расчет параметров компрессоров 120
3.4 Крепление ствола 122
3.4.1. Типы и конструкции крепи 122
3.4.2. Крепление участка пройденного по ММП 132
3.4.3. Крепление участка пройденного в породах с положительной температурой .« 136
3.5. Выводы по главе 136
ГЛАВА 4. Экономический и социальный эффект от внедрения обоснованных технологических решений 137
4.1. Технико-экономические показатели 137
4.2 Социальный эффект 144
4.3. Выводы по главе 145
Заключение 146
Список использованной литературы 150
- Горно-геологинеская, геокриологическая характеристика Сейдинского месторождения Печорского угольного бассейна
- Теоретическое обоснование способа бурения шахтных стволов для условий многолетнемерзлых пород
- Определение гидродинамических параметров циркулирующих жидкостей
- Крепление ствола
Введение к работе
Актуальность работы. В соответствии с энергетической стратегией России на период до 2020 года в ближайшее время потребуется освоение новых месторождений как энергетических, так и коксующихся углей. Эти перспективные планы основаны на том, что в России имеется множество уже разведанных месторождений. В частности в Печорском угольном бассейне имеются разведанные месторождения коксующихся и энергетических углей: Воргашорское, Усинское, Сейдинское и другие, на которых возможно строительство современных шахт. Важным аспектом для проектирования является то, что около 65% территории России, а также вышеупомянутые месторождения находятся в области распространения многолетнемерзлых пород (в дальнейшем ММП).
При строительстве шахт наиболее сложными и трудоемкими являются работы по сооружению вертикальных стволов, которые составляют до 25% стоимости и 30-50% общего времени строительства.
При проведении шахтных стволов наибольшее распространение получил буровзрывной способ проходки. Технологические схемы проходки обеспечивают, в основном, комплексную механизацию работ. Объемы механизации работ по бурению шпуров достигли 89%, по погрузке породы - 93%. Однако этот традиционный способ характеризуется большими трудозатратами и тяжелыми условиями труда.
Анализ ввода новых мощностей в ведущих угледобывающих странах показал, что строительство вертикальных стволов способом бурения получает все большее распространение и является надежным и эффективным в различных горно-геологических условиях.
По сравнению с буровзрывным способом проходка бурением имеет ряд преимуществ: совмещение во времени процессов разрушения и уборки породы, отсутствие влияния от взрыва на окружающие ствол породы, отсутствие людей в забое и, как следствие, большая безопасность ведения работ, значительно менее тяжелые условия труда, большая экономическая эффективность вследствие сокращения сроков строительства ствола и меньшей численности персонала.
Способ бурения стволов штанговыми буровыми установками является отработанным для различных горно-геологических условий, однако, при применении этого способа в многолетнемерзлых породах, необходимо учитывать их довольно большую чувствительность к тепловому воздействию. При растеплении ММП теряют связность и становятся склонными к обрушению и оползанию, что чревато большим количеством аварий и осложнений при проходке.
Для использования способа штангового бурения в этих условиях необходимо оценить тепловое влияние процесса бурения на ММП, обосновать технологические решения, минимизирующие скорость и продолжительность циркуляции жидкости в кольцевом пространстве ствола на протяжении ММП, обеспечивающие сохранение естественной отрицательной температуры пород.
Учитывая, что вышеупомянутые месторождения являются наиболее перспективными для ближайшего освоения, научное обоснование технологических параметров проходки бурением шахтных стволов и скважин большого диаметра в условиях многолетнемерзлых пород, обеспечивающих ненарушенность выработок в процессе их сооружения, является актуальной научной задачей.
Цель работы заключается в установлении закономерностей теплового влияния на ММП в процессе бурения для обоснования технологических параметров проходки шахтных стволов бурением в условиях многолетней мерзлоты, обеспечивающих безопасность ведения работ и ненарушенность выработки в процессе строительства.
Идея работы заключается в использовании установленных закономерностей теплового влияния на ММП, оказываемого в процессе бурения, для прогнозирования безопасного периода ведения работ и разработки технологических решений, обеспечивающих поддержание многолетнемерзлых пород в ненарушенном состоянии при проходке ствола за счет сохранения их естественного температурного режима.
Научные положения, разработанные лично соискателем, и новизна:
основным источником тепловыделения в области поддерживающей жидкости, при бурении основной части ствола штанговыми зрлифтными буровыми установками, является выносимая по буровому ставу пульпа, имеющая положительную температуру и состоящая из промывочной жидкости, разбуренной породы и воздуха;
температурное поле в поддерживающей жидкости описывается с помощью полученного в данной работе нового точного решения уравнения теплопроводности с граничным условием первого рода, аналитическая форма которого пригодна для практических оценок и развития теории процессов, описывающих динамику термических характеристик буримых стволов в зонах многолетнемерзлых пород;
тепловая устойчивость стволов и скважин большого диаметра определяется допустимым временем циркуляции промывочной жидкости, которое прямо пропорционально квадрату радиуса выработки и обратно пропорционально температуропроводности поддерживающей жидкости;
поддержание в многолетнемерзлых породах незакрепленных стенок выработки в естественном состоянии обеспечивается путем применения в зоне промерзания поддерживающей жидкости с осуществлением периодической принудительной ее циркуляции с охлаждением до температуры многолетнемерзлых пород.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
использованием фундаментальных законов теплофизики для построения точного решения уравнения теплопроводности с граничным условием первого рода;
использованием положительного опыта бурения, накопленного в газо- нефтедобывающей, геологоразведочной отраслях в процессе освоения северных месторождений, для разработки технологических решений и обоснования параметров технологии бурения шахтных стволов;
качественным совпадением теоретически рассчитанного характера поведения теплового потока с течением времени с известными результатами долговременных натурных наблюдений за изменением температуры ММП в процессе эксплуатации скважин, проведенных ООО «Надымгазпром»;
- удовлетворительной сходимостью результатов нового точного решения уравнения теплопроводности с известным решением, полученным Д. Егером, А.Ф. Чудновским и другими.
Научное значение работы заключается в установлении закономерности распределения температуры по сечению ствола в зависимости от физико-технических свойств поддерживающей жидкости с течением времени бурения ствола.
Практическое значение работы:
разработаны рекомендации по режиму промывки и типу применяемой поддерживающей жидкости при проходке стволов штанговыми буровыми установками в условиях многолетнемерзлых пород, обеспечивающих сохранение ненарушенности незакрепленных стенок ствола в этих породах;
разработана методика оценки и прогнозирования безопасного периода бурения, в течение которого не происходит фазовых переходов цементирующего многолетнемерзлые породы льда, и обеспечивается ненарушенность незакрепленных стенок выработки, представленных такими породами.
Реализация результатов работы. Выводы и рекомендации работы приняты к использованию институтом ПечорНИИпроект ОАО «Воркутауголь» при проектировании вертикальных стволов шахт.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на научно техническом совете ГХК «Спецшахтобурение» (Украина, Донецк, 2001г.); на научно-
практической конференции Ростовского отделения МАНЭБ (Шахтинский институт ЮРГТУ, 2002г.); на научном симпозиуме «Неделя горняка» (МГТУ, 2004г.); на семинарах кафедры «Строительство подземных сооружений и шахт» (МГТУ 2003-2004г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано восемь научных работ.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и заключения, содержит 30 рисунков, 19 таблиц и список литературы из 105 наименований.
Автор выражает признательность д.т.н., проф. М.Н. Шуплику, коллективу кафедры «Строительство подземных сооружений и шахт», коллективу института ПечорНИИпроект, к.т.н. М,И. Смирнову, ГХК «Спецшахтобурение», В.Г. Качану, Е.В. Леоненко, д.т.н., проф. В.К. Чистякову, д.т.н., проф. Л.Б. Глатману за ценные замечания и помощь при подготовке работы.
Горно-геологинеская, геокриологическая характеристика Сейдинского месторождения Печорского угольного бассейна
Ситуация с энергоносителями в стране складывается таким образом, что в ближайшее время потребуется строительство новых шахт по добыче как энергетических, так и коксующихся углей. В России имеется множество разведанных месторождений, на которых возможно строительство современных шахт (рис. 1.3). Так, в Печорском угольном бассейне, являющимся крупной сырьевой базой для развития энергетической, металлургической и коксохимической промышленности России, обладающим развитой транспортной сетью и социальной инфраструктурой, имеются разведанные месторождения коксующихся и энергетических углей: Воргашорское, Усинское, Сейдинское и др. Существующие шахты месторождения поставляют угли в Северные, Северо-Западные регионы и Центр Европейской части страны. Разведанность кондиционных ресурсов бассейна составляет 15.6%. Основное количество ресурсов (55.7%) сосредоточенно в пластах мощностью от 1.21 до 3.5 метров. Остальная часть ресурсов в пластах 0.71 - 1.2 м -21.9%; 3.51 - 15м - 11.4%; более 15 м - 11%. До глубины 600 метров сосредоточено 49.3% запасов, от 600 до 1200 метров - 35.7% и 1200 - 1500 метров - 15%. Балансовые запасы углей бассейна по месторождениям категории А+В и A+B+Ci приведены в таблице 1.4, по категории Сг составляют 476.5 млрд. тонн. Забалансовые запасы оцениваются в 6988.4 млн. тонн [38]. Глубина подсчета запасов находится в пределах на Паэмбойском месторождении 300 - 600 м, на Халмеръюском 500 - 620 м, на Верхне-Сырьягинском 500 - 800 м, Нижне-Сырьягинском 760 - 770 м, Воркутском 340 - 1100 м, Воргашорском 360 - 1250 м, Юньягинском 400 м, Усинском 450 - 1400 м, Сейдинском 600 м, Интинском 250 - 1100 м, Кожи м с ком 716 м. После закрытия в 1996 г. шахты «Южная» единственным предприятием, добывающим энергетический уголь в Воркутинском промышленном районе, осталась шахта «Аяч-Яга». При установленной производственной мощности 1 млн. т. угля в год фактическая добыча в последние годы составляла от 620 до 800 тыс. т., что явно недостаточно даже для нужд района, поэтому для энергетических нужд дополнительно используются промпродукт и отсев коксующихся углей после обогащения. Шахты Интинского промышленного района, добывающие угли для энергетических целей, работают на одном уровне (около 8.5 млн. т. угля в год) в течение ряда последних лет, обеспечивая потребности Северного экономического района России. Избытка энергетических углей, добываемых действующими шахтами в Печорском бассейне, в настоящее время нет, и в ближайшей перспективе не предвидится. Исходя из вышеизложенного для организации в перспективе снабжения печорскими углями энергетических предприятий Северозападного региона и Урала необходимо строительство новых предприятий по добыче угля. В Печорском бассейне наиболее целесообразным является освоение южной части Сейдинского месторождения энергетических углей, которое отличается благоприятными горногеологическими условиями и расположено непосредственно возле железной дороги и вблизи воркутинского промышленного узла, обладающего развитой промышленной и социальной инфраструктурой. Месторождение расположено в восточной части Печорского угольного бассейна и граничит с Верхне-Роговским и Воргашорским на севере и Усинским на востоке.
Северная часть месторождения, охваченная предварительной разведкой, имеет площадь 154 км2 при длине по простиранию угленосной толщи 22 км и ширине по падению 7 км. Южная часть месторождения ограничена с севера участком предварительной разведки, с юга - сейсморазведочным профилем III (граница поисково-оценочных работ). Площадь южной части месторождения составляет около 400 км2 при длине по простиранию порядка 26 км. Ближайшим промышленным и культурным центром является г.Воркута, расположенный в 65 км от центра рассматриваемого участка. Рельеф поверхности слабовсхолмленный, типично-тундровый, изрезанный реками и ручьями, с большим количеством болот и озер. Рассматриваемая площадь расположена в бассейне, протекающей в восточной части р.Усы и ее притоков р.Сейда, Сэха и Седьяха. Абсолютные отметки поверхности колеблются от 80-90 м до 150-180 м. По географическому положению площадь месторождения, как и весь рассматриваемый в настоящей работе район, находится за полярным кругом, в области почти повсеместного распространения многолетней мерзлоты и представляет собой необжитую малонаселенную тундру. Шоссейные и грунтовые дороги в районе месторождения отсутствуют. К востоку от месторождения проходит северная железная дорога Котлас Воркута, связывающая Воркутинский промышленный район с центральными районами Европейской части страны. На железнодорожной магистрали вблизи месторождения, расположены ст. Сейда, разъезды Кык-Шор и Чум. Река Уса судоходна в паводковый период для малых судов. В геологическом строении Сейдинского месторождения принимают участие осадочные породы Пермского, мелового и неоген-четвертичного возрастов (рис. 1.4). Пермские отложения залегают со стратиграфическим перерывом на отложениях среднего карбона и перекрыты различным по мощности чехлом меловых и неоген-четвертичных осадков. Пермские отложения представлены конгломератами и гравелитами, песчаниками, алевролитами, аргиллитами, углями и углистыми аргиллитами.
Теоретическое обоснование способа бурения шахтных стволов для условий многолетнемерзлых пород
Традиционно при бурении вертикальных горных выработок в неустойчивых породах проходка и крепление осуществляются следующим образом: производят бурение большим, чем остальная часть выработки, диаметром для закрепления и изоляции неустойчивых пород опускают кондуктор и тампонируют закрепное пространство цементно-песчаным раствором.
Недостатками такой схемы является: увеличение срока строительства, уменьшение сечения ствола, наличие дополнительных спускоподъемных операций, при сохранении сечения ствола необходим дополнительный объем буровых работ, что в свою очередь приводит к большему расходу энергии, бурового раствора, увеличению расхода бурового инструмента, цемента, снижению экономической эффективности.
Как было отмечено ранее, при сохранении естественной отрицательной температуры многолетнемерзлые породы являются достаточно устойчивыми и не склонными к обрушению или оползанию [58,59].
Исходя из этого сделано предположение, что бурение ствола в многолетнемерзлых породах, при обеспечении сохранения их устойчивости, возможно осуществить без применения кондуктора.
Для этого необходимо принять соответствующие технологические решения.Очевидно, что буровой раствор для применения в области многолетнемерзлых пород должен сохранять свои свойства при отрицательных температурах.
В практике бурения скважин в мерзлых породах использовались жидкости с добавлением солей, спиртовой барды, этиленгликоля. Использование данных добавок решает вопрос предотвращения замерзания раствора при отрицательных температурах, однако, приводит к таянию льда, являющегося цементирующим веществом в многолетнемерзлых породах, и как следствие к снижению устойчивости пород.
Также растеплению пород способствует циркуляция бурового раствора в кольцевом пространстве между буровым ставом и стенками выработки.Кроме того, использование специальных добавок к растворам и растворов целесообразно только на промежутке, представленном многолетнемерзлыми породами.
Исходя из вышеизложенного, предлагается использовать при бурении ствола две жидкости: первая жидкость - поддерживающая, применяется по глубине зоны многолетнемерзлых пород и используется для поддержания их естественного температурного режима, вторая -промывочная - для использования в качестве промывочного агента при бурении.Бурение по многолетнемерзлым породам осуществляется с применением глинистого раствора с противоморозными добавками.
Главной же особенностью предлагаемого способа является следующее: после перебуривания участка, представленного ММП или по мере подвигания забоя на данный промежуток закачивается поддерживающая жидкость (имеющая температуру близкую к естественной температуре ММП), которая в дальнейшем не циркулирует.Это способствует предохранению ММП от теплового влияния и, соответственно, обеспечению сохранения прочностных свойств многолетнемерзлых пород.
Применение двух буровых растворов с различными свойствами возможно при отсутствии их смешивания. Одним из условий разделения жидкостей по уровню и предотвращения смешивания является различие их плотностей. Поскольку в нижней части выработки применяются растворы на водной основе, то вторым и достаточным условием является применение в верхней части гидрофобной (гидрофобизированной) жидкости, как было отмечено ранее, гидрофобные жидкости неактивны по отношению ко льду и кроме того, большинство гидрофобных жидкостей обладают меньшим, по сравнению с растворами на водной основе, коэффициентом теплопроводности, что также будет способствовать сохранению естественного состояния ММП.
Подачу промывочной жидкости в нижнюю часть выработки возможно осуществить через наклонную скважину, подвесной став теплоизолированных труб, «двойной» буровой став.
При применении наклонной (рис.2.1) скважины для предотвращения влияния циркулирующего потока сопряжение ее с сооружаемой выработкой устраивается на 10 метров ниже по глубине выработки границы ММП. Соответственно гидрофобная жидкость вводится после перебуривания всей толщи ММП и введения в эксплуатацию для дальнейшей подачи бурового раствора наклонной скважины. Таким образом дальнейшая циркуляция бурового раствора осуществляется по
Применение наклонной скважины требует наличия в месте сопряжения с сооружаемым стволом прочных пород, поскольку существует повышенная опасность вывалообразования. Так же недостатками являются: длительный контакт (по сравнению с ниже рассмотренными способами) ММП с буровым раствором, обладающим положительной температурой, дополнительный объем работ по бурению, креплению, а потом и ликвидации наклонной скважины.
Достоинствами этого способа являются: возможность применения обычного бурового става, отсутствие необходимости размещения в сечении ствола дополнительно става теплоизолированных труб.
При применении подвесного става теплоизолированных труб (рис.2.2) жидкость для поддержания ММП подается в выработку по мере подвигания забоя на расстоянии по глубине не менее 5 м от бура. При
Определение гидродинамических параметров циркулирующих жидкостей
Как было установлено ранее, наиболее рациональным вариантом с технологической точки зрения и исходя из оценки теплового влияния на стенки выработки, представленные многолетнемерзлыми породами, является применение двойного бурового става (рис.3.1). К использованию рекомендован двойной буровой став типа CSD с наружным диаметром 0,5 метра. Для предлагаемого способа проведен расчет основных технологических параметров. Определены гидродинамические параметры циркулирующих сред, а также зависящий от этих параметров коэффициент теплоотдачи при движении среды (табл. 3.3). При этом учитем, что по внутреннему каналу бурового става циркулирует смесь трех сред: бурового раствора, воздуха, разбуренной породы. При рассмотрении процессов теплообмена необходимо учитывать, что внутри бурового става циркулирует смесь трех сред - бурового раствора, воздуха, разрушенной породы. Соответственно и теплофизические и реологические характеристики смеси необходимо определить с учетом свойств каждого компонента. При бурении выработки объемные доли основных компонентов смеси жидкости и воздуха изменяется по глубине незначительно и находятся приблизительно в равных соотношениях. Содержание разбуренной породы в смеси определим исходя из средней по глубине скорости бурения выработки. Средняя техническая скорость бурения, заявленная производителем, составляет 0,3 м/час, фактически же при применении промывочных жидкостей с полимерными добавками средняя скорость изменяется от 0,4 м/час до 0,7 м/час и выше. Исходя из того, что количество подаваемого сжатого воздуха практически постоянно, количество содержащегося в жидкости бурового раствора уменьшается на величину объема разбуренной породы, который в среднем составляет 1-6 % от общего объема смеси. При движении по каналу бурового става смесь имеет установившиеся объемные доли компонентов. Это позволяет предположить, что теплоемкость смеси определяется суммой теплоємкостей компонентов пропорционально их объемному содержанию в смеси: где Св,Сж,С„ теплоемкость воздуха, промывочной жидкости и разбуренной породы соответственно; n„ ,«„,/(„ - соответственно объемные доли воздуха, промывочной жидкости и разбуренной породы. Аналогично определяем плотность смеси где рв,рж,р„ плотность воздуха, промывочной жидкости и разбуренной породы. Эффективную теплопроводность смеси при сопоставимом объемном содержании в смеси воздуха (газа) и жидкости, и с относительно небольшой примесью породы, также можно определять с достаточной для практических расчетов точностью согласно правилу аддитивности, учитывая объемную долю каждого компонента: где Хв)Ляс,Хп теплопроводность воздуха, промывочной жидкости и разбуренной породы. Большинство методов определения вязкости смесей имеют под собой эмпирическую основу. Для определения вязкости смеси существует множество подходов разработанных учеными Здановским, Панченковым, Аррениусом, Тейлором, Гринбергом, Ниссаном и другими. В частности, для расчета вязкости смеси двух основных компонентов используем формулу, которую в литературе принято называть формулой Здановского: Пригодность принятой формулы оценена с использованием экспериментальных данных полученных трестом «Спецшахтобурение». Рис.3.1. Схема бурения основной части ствола с применением двойного бурового става и поддерживающей и промывочной жидкостей Гидродинамические параметры и значения коэффициента температуропроводности вычислены согласно методик, приведенных в П.2.4Л. Установлено, что необходимый объем подаваемой промывочной жидкости определяется технологическими требованиями эрлифта (требуемой скоростью подъема), и в довольно малой степени зависит от увеличения, в ходе бурения, объема сооружаемого ствола (1,1% - 5% от расхода эрлифта). Принцип работы эрлифта заключается в следующем: за счет подачи воздуха внутрь бурильной колонны ниже уровня жидкости в стволе возникает перепад давления между столбами жидкости в стволе и пульпы внутри бурильной колонны. Воздух подаётся к смесителю посредством воздушных трубок, приваренных внутри или снаружи к бурильной колонне. Плотность трёхфазной смеси воздуха, воды и выбуренной породы внутри бурильной колонны меньше, чем плотность жидкости в стволе. За счет этого жидкость из ствола перетекает во всасывающее отверстие бура и поднимается внутри бурильной колонны. Величина перепада давления и, соответственно, производительность эрлифта зависят от расхода сжатого воздуха и от глубины погружения смесителя. Для определения основных параметров эрлифтных систем буровых установок будем использовать за основу методику расчета, разработанную специалистами фирмы «Вирт» на основе богатого опыта эксплуатации и расчета таких установок. Промывочная жидкость очищается от выбуренной породы в отстойнике и (или) в пескоотделительных установках и подается обратно в ствол. Место расположения смесителя разделяет бурильную колонну на неактивную нижнюю часть колонны Ни и активную верхнюю часть колонны. Верхняя часть колонны уровнем жидкости разделяется на глубину погружения смесителя НЕ и высоту подъема Но (рис.3.1). Эти три параметра и диаметр бурильной колонны полностью определяют систему гидротранспорта породы. Диаметр бурильной колонны определяется не только
Крепление ствола
Как было отмечено ранее, при бурении стволов и скважин большого диаметра штанговыми буровыми установками функцию временной крепи выполняет буровая жидкость, поддерживающая породные стенки за счет создаваемого гидростатического давления. Постоянная крепь возводится в выработке после полного окончания бурения. И только после полного завершения работ по креплению ствола производят откачку буровой жидкости. Сооружаемая крепь должна соответствовать следующим основным требованиям: обладать требуемой прочностью и надежностью, небольшой трудоемкостью при изготовлении и возведении, коррозионностойкостью, водонепроницаемостью, иметь допустимый коэффициент аэродинамического сопротивления движению воздуха. 3.4.1. Типы и конструкции крепи Рассмотрим некоторые широко применяемые и перспективные типы крепи в отечественной и зарубежной практике. Наибольшее распространение при проходке стволов бурением получила крепь в виде металлической оболочки, с заполнением закрепного пространства тамтюнажным раствором. Крепь собирается на поверхности из сегментов (колец) изготавливаемых из прокатной листовой стали толщиной 16—20 мм, с использованием листогибочных четырехвалковых машин типа ИБ 2426, предназначенных для гибки листов толщиной до 30 мм. Для увеличения прочности обсадной колонны на смятие при креплении в породах, склонных к вывалам, а также для увеличения допустимого объема разовой закачки цементно-песчаного раствора в закрепное пространство, формируемые кольца усиливаются шпангоутами из стали толщиной 20 мм, шириной 300 мм или швеллера № 12 или № 20, размещаемыми через 500, 800, 1000 или 1500 мм на наружной поверхности. При сборке обсадной колонны продольные сварные швы каждого последующего кольца и бандажей смещаются по длине окружности в целях обеспечения равнопрочности цилиндрической крепи. Обсадные трубы, изготовляемые из листовой стали» должны быть водонепроницаемыми на сварных стыках, обладать коррозионной стойкостью. Также большое внимание уделяется контролю геометрических размеров изготавливаемых колец - торцевые поверхности должны быть строго перпендикулярны к их продольной оси для обеспечения вертикальности собираемой колонны крепи.
Сталебетонную крепь применяют в отечественной практике с 1964 г. при креплении стволов и скважин большого диаметра, пробуренных по песчаным и глинистым неустойчивым породам, где нагрузка на крепь достигает 5 МПа, а также для крепления устьев. В конструктивном отношении сталебетонная крепь представляет собой два стальных цилиндра высотой 3—3,5 м из стальных листов толщиной 10—20 мм, зазор между которыми (200—400 мм) заполняется бетоном. Для увеличения сцепления с бетоном на внутренней обечайке наваривают бандажи. Колонна такой крепи возводится секционным способом. Достоинством сталебетонной крепи является высокая грузонесущая способность, недостатками - большой расход металла и вес крепи, высокая трудоемкость изготовления [25]. Возведение крепи из цилиндрических оболочек различной конструкции, изготавливаемых и монтируемых на поверхности, производится погружным или секционным способом в зависимости от массы крепи, диаметра и глубины ствола. При секционном способе крепь возводится снизу вверх, начиная от забоя ствола из стыкуемых между собой отдельных секций обсадной колонны, собираемых над устьем. Этот способ впервые осуществлен на практике при креплении вентиляционного ствола шахты № 6 «Красная Звезда» в Донбассе в 1950 г. и в настоящее время является основным при креплении выработок, пробуренных штанговыми буровыми установками Секции монтируются на поверхности из обсадных труб длиной 4,5 - 6 м, соединяемых посредством электросварки (рис. 3.9).
Длина секции определяется типом крепи, ее весом, грузоподъемностью талевой системы буровой установки и составляет для крепи из листовой стали 50 - 100 м, из сталебетонных колец 20 - 30 м, из железобетонных не более 10 - 15 м. В стволах, имеющих значительное искривление или каверны, длину секции сокращают до 30 - 50 м.
Нижняя часть первой секции обычно выполняется в виде усеченного конуса для предотвращения возможных остановок на уступах, однако, при наличии хрупких трещиноватых пород иногда она оставляется цилиндрической, что обеспечивает срезание незначительных уступов и крепь свободно доходит до забоя через имеющиеся куски обрушенной породы в призабойной части выработки.
По окончании сборки производят опускание секции крепи (рис. 3.10).Первую секцию крепи устанавливают на забой ствола, удерживая на прицепном устройстве. Интервал тампонирования закрепного пространства цементно-песчаным раствором принимается равным приблизительно 2/3 высоты секции. Затем прицепное устройство отделяют, поднимают на поверхность, собирается следующая секция и опускается в ствол до
