Содержание к диссертации
Введение
Глава I. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ПРОЦЕССА СДВИЖЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД И УСЛОВИЙ УСТОЙЧИВОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СКВАЖИН ПРИ ПОДЗЕМНОЙ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЕЙ. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 9
1.1. Анализ литературных и фондовых источников по изученности вопроса сдвижения горных пород и устойчивости технологических скважин 10
1.2. Цели и задачи исследований 24
Глава 2. ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА ПОРОД АНГРЕНСКОГО УГОЛЬНОГО МЕСТО РОЖДЕНИЯ 27
2.1. Геологическое строение
2.2. Физико-механические свойства горных пород... 34
Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СДВИЖЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД НА НАРУШЕНИЕ ОБСАДНЫХ КОЛОНН ВЕРТИКАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СКВАЖИН 40
3.1. Технология выгазования угольного пласта на Ангренской станции "Подземгаз".. 4I
3.2. Обследование нарушенных обсадных колонн
технологических скважин
3.3. Влияние высоких температур на прочностные характеристики обсадных колонн 45
3.4. Влияние геологического строения массива пород
на местоположение нарушения обсадных колонн.. 65
3.4.1. Нарушение обсадных колонн под влиянием горизонтальных сдвижений горных пород в массиве
3.4.2. Нарушение обсадных колонн под влиянием вертикальных сдвижений горных пород в массиве нарушение обсадных колонн 90
3.5. Результаты обработки данных обследования на рушенных скважин в конкретных горногеологических условиях с применением ЭВМ 95
3.6. Влияние процесса сдвижения горных пород на местоположение нарушения обсадных колонн 104
3.6.1. Горизонтальные сдвижения 106
3.6.2. Вертикальные сдвижения 107
3.6.3. Особенности сдвижения подработанного слоистого породного массива при подземной газификации углей 108
3.7. Методика расчета процесса сдвижения горных пород в массиве применительно к условиям Ангренского месторождения. П2
Глава 4. МЕРОПРИЯТИЯ ПО УМЕНЬШЕНИЮ ВРЕДНОГО ВЛИЯНИЯ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СДВИЖЕНИЙ ГОРНЫХ ПОРОД ПО ГЛУБИНЕ МАССИВА НА ОБСАДНЫЕ КОЛОННЫ ВЕРТИ КАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СКВАЖИН. 123
4.1. Создание полости в скважине камуфлетным взрывом 123
4.2. Создание полости в скважине буровыми расширителями 138
Глава 5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ СОЗДАНИЯ В СКВАЖЕНЕ ПОЛОСТЕЙ ДЛЯ СОХРАНЕНИЯ ОБСАДНЫХ КОЛОНН ВЕРТИКАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СКВАЖИН 141
5.1. Расчет технико-экономической эффективности создания полостей камуфлетным взрывом 141
5.2. Расчет технико-экономической эффективности создания полостей буровыми расширителями для местного расширения скважин 143
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 146
ЛИТЕРАТУРА 148
- Анализ литературных и фондовых источников по изученности вопроса сдвижения горных пород и устойчивости технологических скважин
- Геологическое строение
- Технология выгазования угольного пласта на Ангренской станции "Подземгаз"..
- Создание полости в скважине камуфлетным взрывом
- Расчет технико-экономической эффективности создания полостей камуфлетным взрывом
Введение к работе
В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 г.г. и на период до 1990 года", намечено разработать и внедрить эффективные методы комплексного использования и переработки твердых и тяжелых жидких топлив, а также получения синтетических топлив.
В последние годы большое внимание в нашей стране и за рубежом уделяется совершенствованию подземной газификации углей.
При подземной газификации углей вскрытие угольного пласта и его отработка ведется технологическими скважинами.
Вертикальные скважины бурятся и при шахтной выемке угля. Они необходимы для решения технических задач улучшения электроснабжения, лесоспуска, водоотлива, вентиляции, дегазации, ликвидации аварий и др.
Обсадные колонны вертикальных технологических скважин во время выемки полезного ископаемого из недр, в результате действия на них сдвижения горных пород, испытывают неравномерные по длине нагрузки, приводящие их к преждевременному выходу из строя, что влечет за собой нарушение режима технологии выгазо-вания угольного пласта и увеличению потерь угля в подземном газогенераторе.
Сохранение обсадных колонн на необходимый период является одной из нерешенных проблем при эксплуатации скважин на шахтах и скважинных методах добычи полезных ископаемых. Существующие способы и методы, направленные на увеличение срока службы эксплуатационных скважин требуют больших затрат которые не всегда себя оправдывают. Вопрос о прогнозировании глубины, на которой критические нагрузки подработанной толщи пород вызывают преждевременный выход из строя вертикальных скважин, не рассматривался.
Поэтому разработка методики прогнозирования глубины преждевременного выхода из строя вертикальных технологических скважин на основе маркшейдерских методов наблюдений за сдвижением горных пород в массиве, для обеспечения сохранности обсадных колонн технологических скважин на период отработки подготовленных запасов в условиях воздействия горизонтальных сдвижений пород при подземной газификации углей, является актуальной научной задачей.
Целью работы является установление закономерностей влияния подработннного массива сложенного слоями пород с различными прочностными характеристиками на местоположение нарушения обсадных колонн технологических скважин по глубине толщи пород, позволяющих разработать методику прогнозирования глубины преждевременного выхода из строя вертикальных технологических скважин на основе маркшейдерских методов наблюдений за сдвижением горных пород в массиве, .для обеспечения сохранности обсадных колонн технологических скважин на период отработки подготовленных запасов в условиях воздействия горизонтальных сдвижений пород при подземной газификации углей, применение которой позволит снизить затраты на подготовку угля к газификации.
Идея работы заключается в использовании закономерностей влияния горизонтальных сдвижений пород в массиве, на глубину нарушения обсадных колонн вертикальных технологических скважин с учетом особенностей геологического строения массива, для разработки рекомендаций по сохранению колонн вертикальных скважин позволяющих увеличить их срок службы.
Научные положения, разработанные лично соискателем и новизна: впервые установлено, что преждевременный выход из строя обсадных колонн вертикальных технологических скважин, под воздействием горизонтальных сдвижений пород, происходит ниже слоев крепких известняков за счет разности величины горизонтальных сдвижений, возникающих на границе зоны концентрации максимальных горизонтальных сдвижений горных пород с нижележащими, слоями пород, как на контакте слоев пород, так и в самих слоях. Величина смещения пород относительно оси скважины составляет 0,02/77 ( /77- мощность выгазования угольного пласта); установлена зависимость положения границы зоны концентрации максимальных горизонтальных сдвижений в массиве от глубины залегания угольного пласта и его выгазованнои мощности, расстояния между кровлей угольного пласта и почвой нижнего слоя крепких пород, суммарной мощности крепких пород, которая впервые позволила прогнозировать местоположение нарушения обсадных колонн технологических скважин от горизонтальных сдвижений по глубине массива; установлено, что полость разгрузки, созданная на ожидаемых глубинах нарушения обсадных колонн технологических скважин, снижает критические нагрузки на обсадные колонны, вызванные горизонтальными сдвижениями пород.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: удовлетворительной сходимостью (погрешность не превышает 15%) результатов прогнозирования глубины нарушения обсадных колонн технологических скважин от горизонтальных сдвижений пород по разработанной методике, с натурными измерениями местоположения нарушения технологических скважин в подработанном массиве, полученными в результате спуска в скважину, специально изготовленной ориентированной свинцовой печати; положительными результатами внедрения разработанных рекомендаций по устранению вредного влияния горизонтальных сдвиже- ний пород на обсадные колонны вертикальных скважин.
Значение работы. Научное значение работы заключается в установлении зависимостей, характеризующих влияние геологического строения подработанного горного массива, сложенного слабыми и относительно крепкими слоями пород, развивающих существующие представления о прогнозировании глубины выхода из строя технологических скважин.
Практическое значение работы заключается в разработке методики прогнозирования глубины нарушения обсадных колонн технологических скважин на основе маркшейдерских методов наблюдений за сдвижением горных пород в массиве при подземной газификации угля. На основе этой методики разработаны "Методические рекомендации по устранению вредного влияния горизонтальных сдвижений подработанных горных пород на сохранность обсадных колонн вертикальных технологических скважин в процессе газификации угольного пласта", применительно к условиям Ангренскои станции "Подземгаз" , позволившие проводить мероприятия обеспечивающие сохранность обсадных колонн технологических скважин на глубине их выхода из строя, что снизило затраты на подготовку угля к газификации.
Реализация выводов и рекомендаций работы. Разработанные "Методические рекомендации... ." внедрены на Ангренскои станции "Подземгаз" при расчетном годовом экономическом эффекте 19,7 тыс.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на Ш областном семинаре "Применение математических методов и ЭВМ в геологии" (Новочеркасск, 1983 г.), расширенном семинаре лаборатории давления горных пород Московского горного института (Москва, 1982 г.), техническом совещании Ангренскои станции "Подземгаз".
Автор выражает искреннюю благодарность доценту, кандидату технических наук Г.В.Орлову за консультации в процессе работы над диссертацией.
Анализ литературных и фондовых источников по изученности вопроса сдвижения горных пород и устойчивости технологических скважин
Изучение вопроса сдвижения горных пород при подземной газификации углей более детально проводилось в СССР, т.к. опытно-промышленные станции "Подземгаз" работают только в нашей стране. Однако до настоящего времени влияние процесса сдвижения горных пород на устойчивость обсадных колонн вертикальных технологических скважин досконально не изучалось из-за недостаточного количества имеющихся натурных данных.
Н.А.Федоров в работе /67/ выделяет ряд основных закономерностей сдвижения горных пород при подземной газификации углей. На поведение пород в подземном газогенераторе наиболее существенно влияют следующие факторы: физико-механические свойства и структура пород; опорное давление впереди огневого забоя; мощность угольного пласта; температура в зоне газификации.
В работе /62/ И.А.Турчанинов более детально рассматривает влияние процесса газификации на поведение пород. Горные породы сдвигаются, деформируются над выгазованным пространством, в них образуются трещины, происходят изменения их химического и минералогического состава, их механические свойства, а в некоторых случаях агрегатного состояния под действием высоких температур в районе очага газификации. Такие изменения зависят от состава пород, от режимов и способов ведения работ по газификации и в свою очередь оказывают большое влияние на ход процесса, устойчивость его технологических параметров, на формы и полноту выгозо-вания угольного пласта, на поступление в подземный газогенератор подземных вод из подработанных водоносных горизонтов, на утечки дутья и газа в окружающие породы.
В случае опережения контура выгазования на отдельных участках небольшой протяженности, относительно общей линии огневого забоя, происходит зависание кровли. При равномерном подвиганий, прямолинейная линия забоя по всему фронту обеспечивает соответственно равномерное оседание кровли в призабойной части и выдерживает шаг посадки основной кровли.
В условиях подземной газификации углей, где в отличии от шахтной добычи, призабойная часть выработанного пространства ничем искусственно не поддерживается, расположение линии огневого забоя под тем или иным углом к направлению трещиноватости пород кровли является средством регулирования деформации и обрушения кровли.
class2 ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА ПОРОД АНГРЕНСКОГО УГОЛЬНОГО МЕСТО РОЖДЕНИЯ class2
Геологическое строение
Ангренское каолино-угольное месторождение относится к типу почти закрытых месторождений /17/. Долина покрыта четвертичными аллювиальными и пролювиальными отложениями и лёссовидными суглинками. Выходы коренных пород на поверхность прослеживаются только в глубоких левобережных оврагах.
Ангренское месторождение содержит много полезных ископаемых: бурый уголь, первичные каолины коры выветривания палеозоя, каолиновое сырье в джигиристанской свите, огнеупорное и цементное сырье (известняки, мергели), адсорбенты (опоки), кварцевые пески, кирпичное сырье, строительный камень и т.д. Угли и каолины содержат ценные рассеяние и редкие минералы. Мощность продуктивных отложений от коры выветривания палеозоя до верхов палеогена достигает 240 м.
В геологическом строении Чаткало Н#раминского горного массива четко выделяются породы фундамента и покрова. К фундаменту относятся вулканогенные породы верхнего и все отложения среднего и нижнего палеозоя, в целом представляющие жесткую массу. Покров - это породы от юрских отложений до современных.
В Ангренской грабен - синклинали в районе каолино-угольно-го месторождения по структурным признакам выделяются восточная и западная зоны. Граница между зонами проходит по поперечнику Дукент - сая.
Западная зона, где располагается месторождение, имеет форму плоской синклинали с круглыми бортами, в которых покровные отложения поставлены на "голову" или запрокинуты.
Технология выгазования угольного пласта на Ангренской станции "Подземгаз"..
Подземная газификация угольных пластов на станциях "Подзем-газ" осуществляется в подземных газогенераторах, основу которых составляют вертикальные, наклонные и наклонно-горизонтальные скважины, соединенные между собой сбоечными каналами.
На Ангренской станции "Подземгаз" вскрытие угольного пласта производится наклонно-горизонтальными и вертикальными скважинами диаметром 269 мм, 214 мм по сетке 20 м х 25 м.
Наклонно-горизонтальные скважины (рис.3.1) бурят в направлении огневого забоя для подачи дутья. Частично дутье подается и через вертикальные скважины, пробуренные на угольный пласти. Отвод лаза осуществляется через вертикальные скважины со стороны выгазованного пространства. Работа вертикальных скважин ведется по стадиям: сбойки - газоотвод, подача дутья на газификацию - газоотвод.
После вскрытия угольного пласта, скважины сбиваются между собой воздушной стойкой, В первую очередь сбваются скважины розжигового ряда (рис. 3.2), По окончаний сбойки скважины в розжи-говом ряду производят розяиг одной скважины, от которой в результате подачи воздуха в соседние скважины образовывается первоначальный канал газификации. После проработки первоначального канала газификации, на него производится воздушная сбойка скважин второго ряда. Сбойка скважин второго ряда с огневым забоем позволяет приступить к выгазовыванию площади угля, находящейся между каналом газификации и вторым рядом скважин.
Перемещение очага горения происходит навстречу потоку дутья.
Скважины второго ряда являются воздухоподающими, а скважины первого ряда газоотводящими.
Третий ряд скважин сбивается в это время со вторым и после сбойки становится воздухоподающим, а второй газоотводящим, т.к. площадь угля расположенная между первым и вторым рядом к этому времени уже выгазована.
Дальнейшее выгазовывание площадей угля производится по выше описанной схеме.
Создание полости в скважине камуфлетным взрывом
В результате обработки данных натурных обследований деформации обсадных колонн на ЭВМ, выведена эмпирическая формула для прогнозирования местоположения ожидаемой деформации обсадных колонн в глубине массива. где Н - расчетная глубина деформации обсадной колонны, м; Ну - глубина залегания угольного пласта, м; К - коэффициент, зависящий от глубины залегания угольного пласта, расстояния от кровли угольного пласта до почвы нижнего слоя относительно крепких пород (известняка), суммарной мощности слоев относительно крепких пород (известняка), мощности выгазования пласта {табл. 4.1, 4.2, 4.3, 4.4, 4.5, 4.6). Вывод формулы позволил разработать метод охраны обсадных колонн вертикальных технологических скважин от горизонтальных сдвижений горных пород смысл которого заключается в следующем. В технологической скважине до ее обсадки, буровым расширителем или камуфлетным взрывом создается разгрузочная полость на полтора диаметра обсадной колонны от оси скважины по ее периметру на расстоянии 8 м вниз и вверх от расчетной точки ожидаемой деформации. Эта полость позволит снять критические нагрузки действующие на обсадную колонну, за счет заполнения ее сдвигающимися породами.
Расчет технико-экономической эффективности создания полостей камуфлетным взрывом
Себестоимость газа при подземной газификации углей в значительной степени зависит от срока службы технологических скважин.
Анализ выхода из строя обсадных колонн технологических скважин показал, что преждевременно выходят из строя, не отработав подготовленных запасов, вертикальные скважины.
Разработанные мероприятия по устранению вредного воздействия горизонтальных подвижек на обсадные колонны вертикальных технологических скважин уменьшат затраты на подготовку угля к газификации за счет увеличения срока службы скважин и полноты выгазо-ваняя угля, сокращения бурения дополнительных скважин и потерь угля в недрах.
Расчет технико-экономической эффективности создания полостей для вертикальных технологических скважин проведен в соответствии с общепринятой методикой /42/.
Расчет производим для стоимости бурения I п.м. вертикальной скважины принятой на Ангренской станции "Подземгаз" на I января 1984 г.
На участке работы Ангренской станции "Подземгаз" угольный пласт залегает на глубине от 100 до 210 м, поэтому расчет экономического эффекта будет проводить для скважины пробуренной на глубину 150 м. Цены на материалы и проведение взрывных работ взяты из литературы /58/.Таким образом стоимость создания полости в одной скважине составляет 69Г,7 руб.
