книги / Технология строительства подземных сооружений. Специальные способы строительства

форатора, направляющих салазок, устройства для наклона и подачи перфоратора на забой. Оборудование для приготовле­ ния и нагнетания раствора монтируют на передвижных плат­ формах шахтных вагонеток 5.

Анализ данных практики показывает, что на возведение тампонагКной подушки затрачивают. 4—8 сут, на ее разборку 1—2 сут. Расход времени на собственно тампонирование поро­ ды составляет 0,2— 1,3 сут/м. Стоимость цементации 1 м выра­ ботки по прямым затратам составляет 120—300 руб.

Стоимость закрепления грунтов с помощью силикатизации и химизации зависит от многих факторов и колеблется от 2 до 60 руб за 1 м3 укрепленного грунта.

6.СТРОИТЕЛЬСТВО СТВОЛОВ

ИСКВАЖИН БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА С ПРИМЕНЕНИЕМ СПОСОБА БУРЕНИЯ

6.1.СУЩНОСТЬ СПОСОБА

Способ бурения стволов и скважин большого диаметра со­ стоит в том, что с помощью специального оборудования осуще­ ствляют непрерывное разрушение породы и ее выдачу на по­ верхность благодаря постоянной циркуляции бурового раство­ ра, заполняющего ствол или скважину. Разрушение породы бу­ ровыминструментом осуществляется по всей площади забоя (сплошное бурение) или частично по периметру забоя выбури­ вается кольцевая щель с оставлением в центре ствола пород­ ного целика (керновое бурение), который впоследствии скалы­ вается и выдается на поверхность. При сплошном способе ство­ лы бурят ступенями — в несколько фаз — до полного диаметра. Первоначально на полную глубину ствола бурят передовую скважину, которую затем сверху вниз постепенно расширяют в несколько фаз. После того как ствол будет пробурен на пол­ ную проектную глубину, под защитой бурового раствора про­ изводят работы по возведению постоянной крепи. Затем ствол очищают от бурового раствора и проводят гидроизоляционные работы.

Способ является весьма перспективным и технически наи­ более совершенным, так как характеризуется высокой сте­ пенью механизации всех технологических процессов при макси­ мальной их автоматизации. При этом способе исключается не­ обходимость присутствия людей в забое, что создает реальные условия резкого повышения производительности труда и уве­ личения скорости строительства стволов шахт и скважин боль­ шого диаметра.

В развитии буровой техники в б. СССР различают три этапа. Первый этап (1940— 1950 гг.) характерен тем, что при сплошном бурении стволов использовали стандартное нефтя­ ное оборудование. В этот период было пробурено 26 стволов диаметром до 5 м в свету глубиной до 110 м в Подмосковном и Челябинском бассейнах, на строительстве Московского мет­

рополитена.

Второй этап (1950—1960 гг.) характерен созданием Ураль­ ским заводом тяжелого машиностроения специальной буровой установки сплошного бурения УЗТМ-6,2, которой было пробу­

турбинного и дробового бурения с расположением главного двигателя буровой установки как в забое ствола, так и на по­ верхности, различных типов конструкций постоянной крепи и способов ее возведения.

Третий этап (I960— 1970 гг.) характеризуется дальнейшим развитием буровой техники сплошного бурения (УЗТМ-8,75-800) и применением реактивно-турбинных установок (РТБ) различ­ ного диаметра. В настоящее время установки УЗТМ сняты с производства, а широко используются только установки РТБ для бурения стволов и скважин диаметром от 0,7 до 5 м и глу­ биной 200— 1200 м.

За рубежом, начиная с 70-х годов, наблюдается значитель­ ная активизация работ по созданию и использованию буровых установок для бурения шахтных стволов. В США, ФРГ, Шве­ ции, Японии, Великобритании и других странах создано более 80 типов буровых установок, позволяющих бурить стволы шахт и скважины большого диаметра (от 1 до 7,5 м) на глубину до 1000 м в различных горно-геологических условиях.

6.2. ТЕХНОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА ШАХТНЫХ СТВОЛОВ

6.2.1. Подготовительные работы

Технология строительства стволов с применением способа бурения включает в себя подготовительные работы, разруше­ ние породы буровым инструментом, очистку забоя ствола от разрушенной породы, возведение постоянной крепи, гидроизо­ ляционные работы (рис. 6.1).

До начала буровых работ на земной поверхности выполня­ ют работы по подготовке ствола к бурению. Первоначально на проектную глубину проходят устье ствола 2, которое крепят монолитной бетонной или железобетонной крепью 1. Воротник

устья ствола делают особенно массивным, так как он выпол­ няет роль фундамента под буровую установку. Устье ствола проходят на глубину наносных пород и исходя из условий пер­ воначального размещения в ней бурового инструмента 7. Свер­ ху устье ствола перекрывают мощными самоходными платфор­ мами 3 большой грузоподъемности, на которых может разме­ щаться необходимое буровое оборудование, расширители, сек­ ции постоянной крепи 5 ствола..

После обустройства устья ствола приступают к монтажу бу­ ровой устанбвки. Сборку ведут крупными узлами. Над устьем ствола устанавливают постамент, монтируют буровую вышку, роторный привод, подъемную лебедку, талевую систему и дру­ гое буровое оборудование.

В этот же подготовительный период на строительной пло­ щадке возводят ряд зданий и сооружений, необходимых для обслуживания буровой установки. Бурение осуществляют с применением буровой колонны 4 под защитой глинистого рас­ твора 6.

6.2.2. Буровые работы

При сплошном разбуривании забоя на полное сечение бу­ рение ведут в несколько фаз. Первоначально на полную глуби­ ну ствола бурят передовую скважину небольшого диаметра. В дальнейшем скважину постепенно разбуривают сменными расширителями до проектных размеров ствола. Бурение пере­ довой скважины должны вестись особенно тщательно, так как

она выполняет, ряд важных функций, в^ том числе детальную разведку геологического строения пород по всей глубине буре­ ния, задание направления при бурении ствола расширителями, увеличение контактного давления бурового инструмента на за­ бой, тампонаж трещиноватых пород й другие функции, необ­

чение применяют 10 фаз и более с расширителями открытого типа (рис. 6.2,а). В СНГ — две, четыре фазы с применением расширителей закрытого типа (рис. 6.2,6). Этим обусловлены принципиальные отличия в технических решениях конструкций буровых установок в СНГ и за рубежом. При большом числе фаз бурения значительно проще обеспечить увеличение кон­ тактных нагрузок' на забой при меньшей массе бурового ин­ струмента, что позволяет более эффективно осуществить раз­ рушение породы и повысить скорость бурения. В. то же время многократная смена бурового инструмента при переходе с од­ ного диаметра на другой приводит к длительным перерывам в собственном процессе бурения и тем самым увеличивает сроки строительства ствола в целом.

Как показали исследования, выполненные в ИГД им. А. А. Скочинского, скорость бурения зависит не только от эф­ фективности разрушения породы буровым инструментом, но и от быстроты и полноты очистки забоя от разрушенной породы. При несвоевременном удалении из забоя частиц породы, отде­ ленной от массива, они Многократно попадают под другие ша­ рошки и подвергаются повторному измельчению, в результате чего снижается сила ударов шарошек по забою и увеличива­ ется расход энергии на измельченные породы.

Эффективность разрушения породы при бурении в основном зависит от осевого усилия подачи бурового инструмента на забой, от скорости его вращения, а следовательно скорости вра­ щения шарошек, и от характера разрушения породы под дей­ ствием зубьев шарошек. Все эти .факторы теснейшим образом взаимосвязаны между собой и во многом определяются техни­ ческими возможностями конструкций буровых установок.

На кривой зависимости скорости бурения от давления на породу (рис. 6.3) выделяются три участка, соответствующие трем различным случаям разрушения горных пород при буре­ нии. Участок I соответствует поверхностному испиранию. В это'м случае контактные давления значительно ниже предела прочности породы и скорость бурения в зависимости от нагруз­ ки имеет линейный характер. Участок II кривой соответствует усталостному разрушению. Контактные давления здесь ниже предела прочности породы, но выше, чем на участке I. Разру­ шение породы происходит в результате многократных ударов зубца шарошки о породу. На участке III кривой бурение ха-

Рис. 6.3. Засисимость скорости бу рения и от давления на породу Р

рактеризуется эффективным разрушением породы, так как в этом случае контактные давления достигают значения предела прочности породы.

Для крупногабаритных шарошек с достаточным приближе­ нием скорость соударения зуба шарошки с породой

vc = wprpl/rw,

где wp— угловая скорость вращения расширителя, рад/с; гр — горизонтальное расстояние от оси расширителя до центра дан­ ного сечения шарошки, см; I— шаг зуба шарошки, см; гш— ра­ диус шарошки в данном сечении, см.

При керновом разбуривании породы бурение ведут в одну фазу сразу на проектный диаметр. Размеры керна по высоте определяются диаметром выработки и грузоподъемностью та­ левой системы буровой установки. Кери после подрезки у осно­ вания отрывают от массива и вместе с буровым инструментом выдают на поверхность земли. После этого керн отвозят' в от­ вал, а буровой инструмент используют для выбуривания сле­ дующего керна. Разрушенная при бурении порода удаляется с помощью бурового раствора, постоянно циркулирующего в вы­ работке.

В зависимости от крепости породы применяют шарошечное, резцовое и дробовое бурение.

О4

3

1

2

В крепких породах буровой инструмент в виде полого ци­ линдра 3, перекрытого сверху, в нижней части снабжается про­ ходными шарошками 2, которые при вращении бура перекаты­ ваются по забою и разрушают породу (рис. 6.4). После выбу­ ривания керна на определенную высоту при постоянном вра­ щении инструмента буровой колонной 4 в работу включаются подрезные шарошки 1, укрепленные на распорных рычагах. По­ сле подрезки керн, оторванный от массива, поднимают на по­ верхность и отвозят в ствол.

6.2.3. Удаление разрушенной породы

Бурение стволов и скважин большого диаметра осуществля­ ют при постоянной циркуляции в выработке промывочной жид­ кости, которая одновременно выполняет несколько функций: очистка забоя, от разрушенной породы и вынос ее из ствола на поверхность; создание в стволе гидростатического давлёния, противодействующего давлению горных пород и проникновению в ствол подземных вод, а также для предупреждения обвалов, оползней, оплываний и размывов стен ствола в период его бу­ рения и возведения крепи; охлаждение и смазка бурового ин­ струмента и др.

Различают три схемы промывки: прямую, обратную и совме­ щенную.

При прямой схеме промывки промывочная жидкость цирку­ лирует по схеме, показанной на рис. 6.5, а. Насос 4 засасывает из емкости 6 промывочную жидкость и по трубопроводу 3 че­ рез вертлюг и буровую колонну 2 нагнетает ее в бур /. Выходя из бура через сопла, промывочная жидкость омывает забой,

смывая разрушенную породу, и поднимается по стволу на по­ верхность. На поверхности жидкость по желобам 5 поступает в отстойники, где разрушенная порода выпадает в осадок. От более мелких фракций раствор очищается в гидроциклоиах. Очищенная жидкость вновь засасывается насосами и циркуля­ ционный цикл раствора повторяется.

Прямую схему промывки применяют в тех случаях, когда обеспечивается высокая скорость движения раствора по стволу или скважине, позволяющая удерживать во взвешенном состоя­ нии частицы разрушенной породы.

Достоинство прямой схемы промывки — хорошее омывание шарошек и забоя; недостатки — малая скорость восходящего потока и, как следствие, невозможность выноса крупных раз­ буренных частиц, необходимость применения мощного насосно­ го оборудования.

При бурении нефтяных скважин считают, что скорость вос­ ходящего потока должна быть не менее 0,5 м/с. При бурении стволов с прямой промывкой скорость восходящего потока со­ ставляет д о '0,15 м/с. При этом наблюдается вынос частиц раз­ мером не более 5 см.

При обратной схеме промывки промывочная жидкость цир­ кулирует по схеме,' показанной на рис. 6.5, б. Из емкости 8 про­ мывочная жидкость по желобам 7 поступает в ствол 3 и пере­ мещается вниз в призабойную зону. Омыв буровой инструмент 1 и забой ствола, раствор вместе с разбуренной породой посту­ пит в буровую колонну 2, в которую через став труб 4 подается сжатый воздух высокого давления.

Воздух, смешиваясь с промывочной жидкостью, снижает ее плотность с 1,1— 1,2 до 0,6—0,8 г/см3. В результате разности плотности промывочной жидкости в буровой колонне и в стволе образовавшаяся паровоздушная эмульсия поднимается по бу­ ровой колонне вверх и через тройник 5 изливается по трубо­ проводу 6 в отстойник 8.

Для нормальной работы эрлифта диаметр буровой колонны должен быть не менее 250 мм, диаметр воздушного става труб

расчетами и на практике колеблется в пределах: расход возду­ ха 15—50 м3/мин; давление 2—2,5 МПа, при этом производи­ тельность эрлифта может колебаться от 700 до 1000 м3/ч. Об­ ратную схему промывки применяют при расширении ствола на больший диаметр во второй фазе бурения.

Достоинство обратной схемы промывки — высокая скорость движения промывочной жидкости в буровой колонне, обеспе­ чивающая вынос крупных кусков породы массой до 10 кг; не­ достаток— радиальная скорость движения промывочной жидко­ сти в призабойной зоне. В результате происходит повторное

дробление разбуренной породы и образуются «сальницы» на шарошках.

Совмещенная схема промывки объединяет достоинства пря­ мой и обратной схем.

При совмещенной схеме применяют двойную буровую ко­ лонну (рис. 6.5,в). Промывочная жидкость насосом 9 из емко­ сти нагнетается в вертлюг 6 и далее по кольцевому зазору меж­ ду внутренней 4 и наружной 3 колоннами подается к насадкам буррвого инструмента 1. Выходя из насадок, жидкость омывает шарошки и забой. Промывочная жидкость вместе с разрушен­ ной породой поднимается по внутренней колонне 4 благодаря подаче сжатого воздуха в трубу 2 и через тройник 5 и шланги 7 поступает в отстойник 8. Недостатки способа: сложность кон­ струкции двойной буровой колонны, увеличение времени спуско­ подъемных операций и высокая стоимость промывки.

Кроме рассмотренных схем промывки, в практике бурения стволов и скважин могут применяться и другие схемы. Напри­ мер, циркуляция промывочной жидкости может происходить по следующей схеме. Насосы подают промывочную жидкость че­ рез вертлюг в буровую колонну. Далее промывочная жидкость поступает в турбобуры, приводит их валы во вращение и выхо­ дит через сопла долот в призабойную зону. Омывая забой, про­ мывочная жидкость вместе с разрушенной породой движется вниз по ранее пробуренной (с прямой промывкой) пилот-сква­ жине, по боковой скважине эрлифтом поднимается на поверх­ ность и поступает в систему очистки.

Достоинства этой схемы: очистка забоя от разрушенной по­ роды и высокая скорость подъема промывочной жидкости. Не­ достатки: необходимость бурения дополнительной скважины и сложность работ по сбойке этой скважины с пилот-скважиной.

При бурении скважин агрегатами РТБ диаметром 2,6—3,6 м часто применяют периодическую 'схему промывки, при которой fe течение первых 2—3 ч применяют прямую схему промывки, затем бурение приостанавливают, включают эрлифт и проводят промывку по обратной схеме. Через 1— 1,5 ч промывку забоя приостанавливают и вновь возобновляют бурение скважины с применением прямой схемы.

Эффективность удаления разрушенной породы из забоя оп­ ределяется не только высокой производительностью эрлифтной установки, но и в значительной степени зависит от конструкций и геометрических форм бурового инструмента, влияющих на гидродинамические процессы движения раствора в призабой­ ной части ствола. Изучение гидромеханики призабойного слоя промывочной жидкости было проведено Д. С. Муравьевым в ИГД им. А. А. Скочинского. Задача решалась для случая ла­ минарного, установившегося движения вязкой несжимаемой жидкости путем интегрирования системы уравнений Навье-Сто-

ка и уравнения неразрывности в сферической системе коорди­ нат с началом координат в вершине конической поверхности-

забоя.

В результате выполненных исследований было установлено, что наиболее целесообразным расположением шарошек на рас­ ширителе является спиральное. В этом случае траектории дви­ жения шарошек и частиц разрушенной породы не пересекаются и вероятность повторного дробления породы будет наименьшей, а трехлучевое расположение шарошек обеспечивает более ус­ тойчивое положение бурового инструмента на забое.

Было также установлено, что для обеспечения наилучших условий промывки забоя зазор между забоем и плоскостью расширителя должен быть минимальным, а угол наклона обра­

ранства поток пульпы искусственно направлять при помощи пульпонаплавляющей чаши, полностью перекрывающей сечение передовой скважины, и обеспечивать плавный переход пульпы во всасывающее отверстие эрлифта (рис. 6.6). В этом случае

Рис. 6.6. Конструктивны е схемы расширителей:

а — с породоприемной корзиной; б —с пульпонаправляющим устройством