Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ современного состояния и основные тенденции развития сооружения скважин большого диаметра. цель, задачи и методы исследования 10
1.1. Общие сведения 10
1.2. Анализ опыта сооружения скважин большого диаметра в бывшем СССР и Российской Федерации 22
1.3. Анализ структуры технико-экономических показателей сооружения скважин большого диаметра 31
1.4. Анализ исследований в области сооружения скважин большого диаметра 43
1.5. Выводы по главе 1. Цель, задачи и методы исследований 44
2 Исследование напряженно-деформированного состояния вмещающего скважину породного массива и крепи при креплении набрызг- бетоном с опережающей откачкой бурового раствора 47
2.1. Исследование напряженно-деформированного состояния вмещающего скважину породного массива и крепи 49
2.2. Определение зоны неупругих деформаций пород на незакрепленном участке скважины между ранее возведенной крепью и уровнем откачиваемого бурового раствора 86
2.3. Блок-схема и алгоритм решения задачи 109
2.4. Выводы по главе 2 118
3 Технологические схемы крепления скважин большого диаметра набрызг-бетонной крепью с опережающей откачкой бурового раствора 120
3.1. Выбор и обоснование основных параметров технологических схем 120
3.2. Сравнительный анализ предложенной технологической схемы с традиционной схемой крепления металлической крепью 133
3.3. Выводы по главе 3 151
4. Технико-экономическая оценка и область применения технологии крепления скважин большого диаметра набрызг-бетонной крепью с опережающей откачкой бурового раствора 153
4.1. Экономическая оценка технологии крепления комбинированной набрызг-бетонной крепью с опережающей откачкой бурового раствора 153
4.2. Область применения технологии крепления комбинированной набрызг-бетонной крепью с опережающей откачкой бурового раствора 158
4.3. Выводы по главе 4 162
Заключение 164
Список используемой литературы 168
Приложения 173
- Анализ опыта сооружения скважин большого диаметра в бывшем СССР и Российской Федерации
- Определение зоны неупругих деформаций пород на незакрепленном участке скважины между ранее возведенной крепью и уровнем откачиваемого бурового раствора
- Сравнительный анализ предложенной технологической схемы с традиционной схемой крепления металлической крепью
- Область применения технологии крепления комбинированной набрызг-бетонной крепью с опережающей откачкой бурового раствора
Введение к работе
Бурение скважин большого диаметра представляет собой надежный и эффективный способ строительства вертикальных горных выработок практически в самых различных горно-геологических условиях.
Скважины большого диаметра в горнодобывающей промышленности и подземном строительстве используются как элементы вскрытия и подготовки шахтного поля, в качестве технических скважин для водоотлива, прокладки кабелей, спуска закладочных материалов, вентиляции транспортных тоннелей, захоронения токсичных и радиоактивных промышленных отходов и др. Кроме того, в некоторых случаях более целесообразно и экономично пробурить несколько скважин диаметром до 2,0 м, чем пройти один ствол большого диаметра.
Основным фактором, сдерживающим их широкое применение в условиях России является высокая стоимость работ, которая соизмерима со специальными способами проходки стволов.
Анализ структуры затрат стоимости, трудоемкости и продолжительности бурения скважин большого диаметра по традиционной технологии с креплением металлической крепью показал, что 30-40% их приходится на процессы, связанные с креплением. С увеличением глубины и диаметра скважин доля затрат на крепление значительно возрастает.
В настоящее время в России и других странах СНГ для крепления скважин большого диаметра применяют, в основном, металлические секционные крепи, отличающиеся высокой металлоемкостью и стоимостью. Выбор конструкции крепи производится без глубокого анализа горногеологических условий и технических требований к эксплуатации скважин. Применение других видов крепи носит эпизодический характер.
Учитывая изложенное проблемы совершенствования конструкции и технологии крепления скважин большого диаметра являются актуальной научно-технической задачей.
Решению этих задач посвящается настоящая работа.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом НИР по
научному направлению кафедры «Строительство подземных сооружений и шахт» Шахтинского института Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института) П-53-801 «Разработать средства и способы крепления и охраны горных выработок и обеспечения безопасности труда на горных и строящихся предприятиях».
Цель работы заключается в повышении технико-экономической эффективности сооружения скважин большого диаметра путем совершенствования конструкции крепи и технологии ее возведения.
Идея работы состоит в повышении технико-экономической эффективности сооружения скважин большого диаметра, пройденных бурением, посредством совершенствования конструкции и технологии крепления, достигаемого применением комбинированной набрызг-бетонной крепи в сочетании с железобетонными анкерами, возводимой с опережающей откачкой бурового раствора.
Методы исследования. В работе использован комплексный метод исследований, включающий: системный анализ опыта сооружения скважин большого диаметра и обработку массива данных, полученных в результате исследований с привлечением методов статистического анализа; математическое моделирование на базе теории сплошных сред с целью геомеханического обоснования конструкций облегченной крепи скважин большого диаметра на базе анкеров и набрызг-бетона и технологии ее возведения; проектные разработки технологических схем крепления скважин большого диаметра облегченными крепями и технико-экономические расчеты предложенной технологии с определением области ее эффективного применения.
Для выполнения численных расчетов использованы современные ПК и программное обеспечение.
Научные положения, разработанные лично автором, защищаемые в диссертации: 1. с увеличением удельного веса бурового раствора происходит увеличение величины суммарных смещений породного контура сечения скважины на незакрепленном участке после откачки бурового раствора и, как следствие, увеличение размеров зоны развития неупругих деформа-
ций вокруг этого участка;
при достижении некоторого порогового значения глубины скважины происходит изменение знака действия «снимаемых» напряжений в при-контурном массиве в период бурения. На глубинах менее порогового значения наблюдается увеличение среднего напряжения, что оказывает упрочняющее действие, а при глубинах более пороговых значений возникает развитие зоны неупругих деформаций, размеры которой имеют линейную зависимость от диаметра скважины;
с увеличением скорости выполнения технологических процессов (бурения, откачки и крепления), а также модуля упругости пересекаемых пород наблюдается уменьшение суммарных смещений породного контура сечения скважины. Величина участка скважины между возводимой крепью и уровнем откачиваемой жидкости незначительно влияет на суммарные смещения; увеличение смещений наблюдается лишь в породах с большим временем релаксации для скважин с конечной глубиной бурения до 300 м.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
использованием классических методов механики сплошных сред, теории математической статистики, удовлетворительной сходимостью результатов расчетных и фактических данных;
положительными результатами внедрения основных положений диссер-тационной работы при строительстве двух водоотливных скважин на ОАО «Шахта «Бургустинская» и смотрового колодца К-7А канализационного коллектора №68 в г. Ростов-на-Дону.
Научная новизна работы заключается в установлении зависимости напряженно-деформированного состояния вмещающего скважину породного массива в процессе бурения и крепления от плотности бурового раствора, времени выполнения отдельных технологических операций, величины отставания постоянной крепи от уровня откачиваемого бурового раствора и физико-механических свойств вмещающих пород.
Практическое значение работы1 заключается в:
разработке методики определения размеров области неупругих деформаций на незакрепленном участке скважины между уровнем бурового раствора и ранее возведенной постоянной крепью и расчета параметров анкерной крепи;
разработке методики определения параметров конструкции постоянной набрызг-бетонной крепи скважины;
разработке технико-экономически обоснованных технологических схем крепления скважин большого диаметра комбинированной набрызг-бетонной крепью в сочетании с железобетонными анкерами и металлической сеткой, возводимой с опережающей откачкой бурового раствора;
установлении области применения предложенной технологии крепления скважин большого диаметра комбинированной набрызг-бетонной крепью в сочетании с железобетонными анкерами и металлической сеткой с опережающей откачкой бурового раствора.
Реализация выводов и рекомендаций работы. Опытно-промышленная проверка основных положений диссертации проводилась при строительстве двух водоотливных скважин на ОАО «Шахта «Бургустинская» и смотрового колодца К-7А канализационного коллектора №68 в г. Ростов-на-Дону.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на двух научно-производственных конференциях Южно-Российского государственного технического университета (г. Шахты, 2002-03 гг.), научно-производственной конференции Академии строительства Украины (г. Донецк, 2002 г.), научных семинарах кафедры «Строительство подземных сооружений и шахт» Шахтинского института Южно-Российского государственного технического университета (г. Шахты, 2000-03 гг.) и технических советах ООО «НТЦ «Наука и Практика».
Публикации. Основные положения изложены в 3 научных статьях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 274 страницах, включает 45 рисунков и 39 таблиц, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 61 источника
и 10 приложений.
Работа выполнена в Шахтинском институте Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института).
Автор выражает признательность доктору технических наук, профессору Ягодкину Ф.И. и доктору технических наук, профессору Ткачеву В.А. за методическую и практическую помощь при выполнении работы.
Анализ опыта сооружения скважин большого диаметра в бывшем СССР и Российской Федерации
Способ бурения при проходке вертикальных выработок в бывшем СССР стал применяться с 1938 г. Были созданы и получили промышленное распространение буровые установки роторного бурения - Щепотьева-Иванова (1937 г.), MOM (1940 г.), УЗТМ-6,2 (1951 г.), УЗТМ-7,5 и УЗТМ-8,75 (1961 г.); кернового бурения - ТМ-2,3 (1954 г.), УКБ-3,6 и ЦНИИпод-земмаша (1955 г.); реактивно-турбинного бурения РТБ (1953 г.). Наибольшие скорости бурения были достигнуты установкой УЗТМ-6,2 - 84,0 м/мес. (шахта №5 «Ново-Волынская»), установкой РТБ - 210 м/мес. («Степной участок»), установкой УКБ-3,6 - 154,8 м/мес. (шахта №4-21) /22-24/.
Институтом ЦНИИподземмаш совместно с Уралмашзаводом были разработаны и созданы экспериментальные образцы стволопроходческих комбайнов ПД-1 и ПД-2 и комплексов СК-1У и СК-1Д /25-28/.
Всего за период с 1960 г. до 1990 г. способом бурения пройдено более 180 км скважин большого диаметра. В большинстве случаев диаметр этих выработок не превышал 3,0 м в свету, и только в последние годы наметилась тенденция к увеличению диаметра до 3,5-5,0 м. Что касается глубины, то в этом направлении наметился определенный прогресс: нередко скважины бурились на глубину 800-1200 м. Однако с увеличением глубины наблюдается уменьшение диаметра бурения, увеличивается искривление скважин, что ограничивает область их применения.
Большинство скважин бурилось в Донецком угольном бассейне, включая восточную его часть (Российский Донбасс), меньшее количество в Львовско-Волынском и Подмосковном угольных бассейнах. В 90-е годы бурение скважин было начато в Кузнецком и Карагандинском угольных бассейнах, Красноярском крае, Средней Азии и других регионах.
Основное назначение скважин - ускорение строительства и реконструкции шахт, подготовка новых горизонтов. Чаще всего скважины используют для улучшения проветривания, создания запасных выходов, спуска в шахту материалов и крепи, закладочного материала. В ряде случаев для ус корения строительства шахт параллельно фланговым стволам проходили скважины большого диаметра, что позволяет обеспечить требуемый уровень проветривания горных выработок и иметь запасный выход в период проведения выработок до окончания подготовки горизонтов.
При строительстве скважин большого диаметра способом штангового бурения на полное сечение или ступенчато получил развитие отечественный способ бурения агрегатами РТБ, чему способствовало возможность легко изменять диаметр забойного агрегата, что очень важно для технологии бурения, и применение поверхностного оборудования, серийно выпускаемого для бурения нефтяных и газовых скважин диаметром 0,2-0,4 м. Применение этого оборудования было обусловлено стремлением ускорить промышленное внедрение РТБ и в то время было оправдано. Однако специфические условия бурения стволов диаметром 2,0-4,0 м вызвали необходимость усовершенствования существующего и создания нового оборудования.
Для удовлетворения потребности угольных шахт в скважинах большого диаметра начиная с 1981 г. производится закупка установок роторного бурения с эрлифтной промывкой L-4 и L-35 фирмы «Wirth» (Германия). На сегодняшний день ГХК «Спецшахтобурение» (Украина) используется четыре типа роторных установок с эрлифтной промывкой фирмы «Wirth»: L-4, L-35 (L-35K), L-35M, L-35MP (L-35MPK). Кроме роторных установок фирмы «Wirth» ГХК «Спецшахтобурение» применяются и отечественные поверхностные комплексы, использующие забойные агрегаты РТБ /29/.
Характеристика некоторых скважин большого диаметра, пройденных способом штангового бурения в бывшем СССР, приведена в табл. 1.4.дований, грузоподъемности оборудования и способа спуска крепи. Секции или колонна свариваются из отдельных обсадных труб. При креплении скважины секции стыкуют с помощью специальных стыковочных устройств. Обсадные колонны можно спускать также на плаву или на воздушной подушке.
Закрепное пространство тампонируют с целью: обеспечения равномерного воздействия на крепь горного и гидростатического давления; предотвращения водогазопроявления; защиты обсадных труб от коррозии; закрепления промежуточных колонн в процессе бурения скважин.
Наряду с очевидными достоинствами данной крепи - водонепроницаемость, большая скорость возведения, удобство армирования, - необходимо отметить и ее очевидные недостатки - малая грузонесущая способность, недостаточная устойчивость против коррозии в агрессивной среде, большой расход металла, и как следствие высокая проектная стоимость крепления, составляющая от 11% до 33% стоимости строительства скважины.
В целях повышения грузонесущей способности крепи в условиях высокого горного и гидростатического давления применяют сталебетонную крепь, представляющую собой два (редко один) металлических цилиндра из проката (швеллер №20-40) или стального листа толщиной 7-37 мм. Толщина крепи составляет 150-900 мм, расход металла до 6,0-7,0 т/м. Вследствие большой массы сталебетонная крепь возводится, как правило, погружным способом.
В качестве примера можно привести ствол «Степной» и скважины № 1 и №2 специального назначения глубиной соответственно 467,0 м, 411,0 м и 412,0 м и диаметром в бурении 2,08 м, которые были закреплены трехслойной сталебетонной крепью при горном давлении до 5,0 МПа. Крепь толщиной 150 мм состояла из двух стальных обечаек толщиной 8-10 мм со специальными анкерами, увеличивающими сцепление с бетоном. Отдельные звенья крепи высотой 3,0-3,5 м и диаметром в свету 1,56 м сваривались в секции массой 128,0 т, оборудуемые узлами вертикальной податливости /30/.
В сложных горно-геологических условиях Средней Азии несколько скважин глубиной 420,0-450,0 м и диаметром 4,6 м были закреплены погружным способом трехслойной сталебетонной крепью толщиной 300 мм и диаметром в свету 3,6 м, собираемой из звеньев высотой 4,5 м.
Высокая несущая способность и водонепроницаемость сталебетонной крепи, ее большая масса, трудоемкость возведения и высокая стоимость подразумевают применение такой крепи только в тяжелых условиях.
Известен опыт применения чугунных тюбингов для крепления скважин большого диаметра в бывшем СССР, которыми были закреплены десять скважин диаметром в свету 4,5-6,5 м и глубиной 30,0-358,0 м (см. табл. 1.5). Масса 1,0 м такой крепи составляла 6,9-19,0 т.
Определение зоны неупругих деформаций пород на незакрепленном участке скважины между ранее возведенной крепью и уровнем откачиваемого бурового раствора
Определение напряженного состояния приконтурного массива пород для незакрепленного участка скважины рассматривается при решении объемной осесимметричной задачи в упругой постановке в дополнительных напряжениях. Численные расчеты напряжений в массиве выполняются с использованием метода граничных интегральных уравнений при равнокомпо-нентном начальном напряженном состоянии массива, что идет в запас прочности (устойчивости) скважины.
Согласно изложенному в п. 2.1 при бурении скважины происходит изменение радиальных напряжений на поверхности скважины. Действовав-шие в ненарушенном массиве напряжения ст,. = А, у h, МПа, замещаютсянапряжениями, равными a(t\), МПа, определяемыми по формуле (2.5).
Установление при бурении скважины в приконтурном массиве напряжений, примерно равных гидростатическому давлению бурового раствора j r=y -И, МПа, вместо первоначальных напряжений or=\-y-h, МПа,действовавших в ненарушенном массиве, согласно формуле (2.5) происходит за период времени равный t « 30, сут. (см. графики на рис. 2.8), что составит для пород Российского Донбасса: сланец глинистый слабый - 60-81 сут.; сланец глинистый крепкий - 9-21 сут.; сланец песчаный - 6-9 сут.; песчаник -3-6 сут./41,43/.
Учитывая, что продолжительность бурения скважины значительно больше приведенных выше значений, для упрощения дальнейших расчетов принимаем, что при бурении скважины устанавливаются напряжения, равные гидростатическому давлению бурового раствора o r =yp-h, МПа. Возникающая при этом погрешность в анализе механических процессов составляет не более 1,5%, что находится в пределах допустимой погрешности.
Расчетный фрагмент участка скважины и породного массива с указанием его геометрии приложенных силовых факторов по принятой схеме дополнительных напряжений показан на рис. 2.9, где h\ и h4- глубина соответственно верхнего и нижнего расчетного поперечного сечения скважины от поверхности, м; hp - глубина расчетного сечения скважины от поверхности бурового раствора, м.
За единицу геометрических размеров принят радиус скважины в проходке R, м. На рис. 2.9 показаны следующие силовые факторы: «снимаемая» нагрузка от гидростатического давления бурового раствора, распределенная по линейному закону от величины 7,//74 в нижнем сечении скважины; реактивный отпор крепи Ркр; реактивный отпор бурового раствора с величиной y,,-h,, в нижнем сечении скважины.
Соответствующая расчетная схема решения задачи приведена на рис. 2.10, где показано распределение суммарных нагрузок по глубине скважины и намечены три характерных расчетных сечения в пределах незакрепленного участка: сечение 1-І - на уровне низа крепи и на глубине 1ъ от поверхности; сечение II-II - в средней части незакрепленного участка скважины; сечение Ш-Ш - на уровне бурового раствора и на глубине /?3 от поверхности.
При расчетах были исключены из рассмотрения участки скважины, прилегающие к устью и забою скважины, как не представляющие для данной задачи практического интереса.
В результате решения задачи для заданных точек поверхности ствола и приконтурного массива определялись компоненты тензора напряжений зх, Gv, сгг, тЛГ, т,._-, i.v.-, ориентация которых в принятой системе координат показана на рис. 2.9. Напряжения по октаэдрическим площадкам, используемые при определении границ области неупругих деформаций вокруг скважины, определяются по формулам
Условия возникновения и границы зоны неупругих деформаций вокруг скважины определяются методом упругого наложения, как наиболее удобным при численных расчетах. Сущность метода заключается в том, что напряжения, определяемые из решения для упругой модели массива, ослабленного выработкой, сопоставляются с условием прочности пород, определяемым некоторым уравнением. Области породного массива, в пределах которого условия прочности не выполняются, считаются разрушенными, то есть являются областями неупругих деформаций. Хотя этот метод и является приближенным, так как не учитывает изменения напряженного состояния за пределами области неупругих деформаций, он обеспечивает удовлетворительную для инженерных расчетов точность, особенно при сравнительно не
Сравнительный анализ предложенной технологической схемы с традиционной схемой крепления металлической крепью
В качестве объекта-представителя использования разработанных технологических схем по предложенной технологии крепления скважин рассмотрим технологию крепления воздухоподающей скважины №2 бывшей шахты «Южная» ОАО «Ростовуголь».
Воздухоподающая скважина №2 пересекает породы четвертичного и каменноугольного возраста. Четвертичные отложения представлены суглинками, характеризующимися по гранулометрическому составу как суглинки тяжелые, пылеватые. Четвертичные отложения неустойчивы.
Вся толща пород каменноугольного возраста представлена скальными породами: песчаными сланцами, песчаниками, известняками (до 70%), сланцами песчано-глинистыми, глинистыми, углистыми и углями (до 30%)). Зона выветривания карбона прослеживается до глубины 17,6 м.
Водоносные горизонты, пересекаемые проектируемой скважиной,приурочены к каменноугольным отложениям, четвертичные отложения -безводны. В каменноугольных отложениях водоносными являются трещиноватые песчаники. Водоносные горизонты содержат слабоминерализованные воды с сухим остатком от 1,3 г/дм3 в верхней части разреза, до 5,2 г/дм в нижней. По химическому составу воды сульфатно-хлоридные и хлоридно-сульфатно-натриевые.
Гидрогеологические характеристики горных пород по оси воздухопо-дающей скважины №2 приведены в прил. 3.1.
Проектом, разработанным институтом «Ростовгипрошахт», принята следующая конструкция скважины, приведенная в табл. 3.1. Бурение скважины предусмотрено на воде (удельный вес у6. = 10,0 кН/м ).
Армировка скважины - жесткая металлическая. Шаг армировки -6,252 м. В сечении скважины располагаются одна конструкция для крепления кабелей и один хордальный расстрел из стального проката - двутавр №27Са, закрепленный анкерами, несущий два проводника из рельсов Р38. К расстрелам скобами крепится трубопровод водоотлива.
Возведение стальной крепи производится секционным способом малыми секциями длиной 30,0 м. Тампонаж закрепного пространства производится через опускные ставы. Работы по откачке промывочной жидкости, контрольному тампонажу и армированию вентиляционной скважины выполняются совместно в нисходящем порядке. Величина отдельной заходки принимается равной 12,5 м. Демонтаж направляющих конусов производится по мере откачки промывочной жидкости.
Последовательность работ принимается следующая. Из скважины на величину заходки с помощью желонки или подвесного насоса откачивается буровой раствор, монтируется и опускается подвесной полок, на котором размещаются рабочие и оборудование для проведения контрольного тампонажа, после окончания которого производится армирование скважины. Монтаж расстрелов производится на кронштейны, закрепляемые на внутренней поверхности обсадной трубы. Навеска проводников производится с применением специальных люлек по последовательной схеме.
С учетом разработанных выше технологических схем крепления скважин предлагается следующая технология ведения работ.
Крепление скважины набрызг-бетонной крепью в комбинации с железобетонными анкерами в сочетании с металлической сеткой ведется одновременно с армированием по совмещенной технологической схеме сверху вниз с опережающей откачкой промывочной жидкости с помощью желонки или подвесного насоса. При креплении скважины комбинированной набрызг-бетонной крепью в интервалах пересечения водоносных горизонтов предусматривается последующая цементация пород. На отметках 33,0 м, 483,5 м и 579,5 м от поверхности устанавливаются водоулавливающие желоба.
Последовательность крепления предусматривается в соответствии с разработанной технологической схемой по варианту 1, подвариант 1. Цикл по армированию и креплению рассчитан на монтаж одного яруса армировки. Цсе работы выполняются с двухэтажного подвесного полка.
Цикл по креплению скважины начинается с откачки бурового раствора на величину заходки, тщательного смыва глиняной корки с породных обнажений скважины и их оборки.Возведение набрызг-бетонной крепи скважины предусматривается с применением машин типа БМС-5, загружаемых сухой смесью на поверхности и в загруженном состоянии подаваемых в скважину. Последующая загрузка машины сухой смесью осуществляется на полке с применением контейнеров, подаваемых в скважину. Нанесение набрызг-бетона осуществляется рабочим вручную с нижнего этажа подвесного полка.
После нанесения первого (выравнивающего) слоя набрызг-бетона и набора им предусмотренной проектом необходимой прочности, производит установка железобетонных анкеров в сочетании с металлической сеткой по нанесенному слою набрызг-бетона. Применяются анкера с полным заполнением шпуров вяжущим.
Порядок возведения анкерной крепи в пределах каждой заходки -сверху вниз. Бурение шпуров в ярусе, заполнение их бетонной смесью и установка металлических штанг производится с нижнего этажа полка, после чего его опускают на следующий ярус анкеров и так далее в пределах заходки. Навеска металлической сетки, опорных плит и затяжка гаек осуществляется с верхнего этажа полка по мере установки анкеров.
После окончания установки железобетонной анкерной крепи в сочетании с металлической сеткой на величину заходки по креплению производится нанесение последующих слоев набрызг-бетона до достижения проектной толщины крепи, выполняемое с нижнего этажа подвесного полка. Крепление ведется до тех пор, пока верхний этаж полка не окажется на уровне установки очередного яруса расстрела, после чего приступают к установке расстрела, доставляемого в ствол с помощью специального прицепного устройства. Спущенный на уровень полка расстрел с верхнего этажа полка перецепляется на монтажные канаты, на которых подводится к месту установки. Монтаж расстрела производится на анкерах с помощью шаблона.
Последовательность выполнения работ по креплению и армированию скважины по предложенной схеме показана на циклограмме на рис. 3.7.Через каждые 12,0 м по глубине скважины производится наращивание трубопроводов для подачи сжатого воздуха и воды.
Область применения технологии крепления комбинированной набрызг-бетонной крепью с опережающей откачкой бурового раствора
В соответствии с результатами исследований, выполненных в главах 2 и 3 диссертации, предложенная технология крепления скважин комбинированной набрызг-бетонной крепью в сочетании с железобетонными анкерами и металлической сеткой, возводимой с опережающей откачкой бурового раствора, может быть успешно применена при креплении скважин, пробуренных в прочных горных породах с малым временем релаксации, таких как песчаники и сланцы песчаные.
В породах с большим временем релаксации (например, сланцы глинистые), в которых наблюдается значительное развитие величины горного давления с глубиной, область применения предложенной технологии ограничена глубиной скважины, при которой толщина набрызг-бетонной крепи достигает своих критических значений.
В слабых породах с коэффициентом крепости по шкале проф. М.М. Протодьяконова/ 4-7 в которых наблюдается значительное развитие величины зоны неупругих деформаций (зоны возможного вывалообразова-ния) с глубиной и диаметром скважины в бурении, область применения предложенной технологии ограничена сочетанием глубины и диаметра скважины, при котором размеры зоны неупругих деформаций не позволяют развить значительного вывалообразования из породных обнажений скважины во время ее откачки и крепления.
Данные результаты хорошо подтверждаются результатами лабораторных и натурных исследований механического состояния приконтурного массива пород и работы набрызг-бетонной крепи, проведенными ВНИМИ /59/, в результате которых было установлено, что при бурении скважин значительного нарушения окружающего породного массива не происходит. Развитие трещин в приконтурном массиве со временем зафиксировано только в глинистых сланцах. Согласно результатам исследований /60/ наибольшая вероятность разрушения набрызг-бетонной крепи обнаруживается на участках вы хода глинистых и песчаных сланцев и угольных пластов, особенно залегающих на большой глубине от земной поверхности, для которых наиболее трудно обеспечить устойчивость.
Исследуем далее изменение сметной стоимости крепления скважин в зависимости от горно-геологических условий проходки, с учетом изменения соотношения в геологическом разрезе горных пород с разными значениями прочностных и реологических параметров, и технологических параметров скважины (диаметр в бурении и глубина). В связи с тем, что такие технологические параметры как толщина набрызг-бетонной крепи и длина железобетонных анкеров изменяются в зависимости от глубины скважины, анализ влияния на сметную стоимость горно-геологических условий и технологических параметров скважины производится для участка скважины протяженностью 100,0 м, располагаемого на разных глубинах от 0,0 м до 1000,0 м.
Расчетная сметная стоимость (в ценах 1984 г.) крепления комбинированной набрызг-бетонной крепью в сочетании с железобетонными анкерами и металлической сеткой 1,0 м стометрового участка скважины, располагаемого на разных глубинах от 0,0 м до 1000,0 м, в зависимости от литологиче-ского состава горных пород на данном участке приведена на графиках в прил. 4.1.
Повышение расчетной сметной стоимости крепления 1,0 м стометрового участка скважины на всем диапазоне анализируемых соотношений (см. прил. 4.2) различных горных пород достигает:
Как видно из представленных графиков в прил. 4.2 максимальное повышение сметной стоимости наблюдается при увеличении на рассматриваемом участке скважины доли горных пород с большим временем релаксации.
Сравнивая расчетную сметную стоимость крепления комбинированной набрызг-бетонной крепью в сочетании с железобетонными анкерами и металлической сеткой (см. рис. 4.1) со сметной стоимостью крепления скважины металлической крепью (см. рис. 1.11) можно сделать вывод, что для горных пород с параметрами, характеризующими средние условия для Российского Донбасса (см. прил. 1.3), применение предложенной технологии крепления комбинированной набрызг-бетонной крепью с опережающей откачкой скважины по экономическим показателям предпочтительнее крепления скважины по традиционной технологии (металлической крепью) во всем диапазоне рассматриваемых условий (см. табл. 1.12).
Снижение стоимости крепления скважины при применении комбинированной набрызг-бетонной крепи в сочетании с железобетонными анкерами и металлической сеткой по сравнению с креплением металлической крепью приведено на графиках на рис. 4.3.
Согласно произведенному анализу снижение стоимости крепления скважин большого диаметра при применении комбинированной набрызг-бетонной крепи в сочетании с железобетонными анкерами и металлической сеткой по сравнению с креплением металлической крепью для средних условий Российского Донбасса достигает для литологического состава горных пород:
Произведенный анализ показывает, что рекомендуемые условия применения предложенной технологии крепления скважин большого диаметра комбинированной набрызг-бетонной крепи в сочетании с железобетонными анкерами и металлической сеткой, возводимой с опережающей откачкой бурового раствора, могут быть ограничены следующими /61/: 1. в зависимости от геологического строения, вещественного состава и физико-механических свойств пород - горно-геологическими условиями, относящимися к I и II типу (участки, представленные сравнительно однородной толщей глинистых и песчано-глинистых сланцев и песчаников, мощностью от 4,0-5,0 м, или переслаивающимися глинистыми и песчано-глинистыми сланцами, песчаниками и известняками с пластами и пропластками углей, с мощностью слоев от 0,1-5,0 м);
