книги / Технология строительства подземных сооружений. Специальные способы строительства
.pdfдля обеспечения заданного направления бурения расширитель снизу снабжается направляющим фонарем.
В связи с тем, что условия промывки забоя требуют изго товления расширителей закрытого типа, при подъеме расшири теля со скоростью до 15 м/мин возникают значительные гид равлические сопротивления и большие дополнительные нагруз ки на талевую систему. Поэтому, как показали исследования, наиболее целесообразно изготовлять расширители со сфериче ской или параболическрй формой его верхней части.
6.2.4. Промывочные жидкости
В качестве промывочных жидкостей при бурении применяют воду и глинистые растворы, приготовляемые на поверхности или образующиеся естественным путем в процессе буровых работ. Наиболее эффективна промывка водой, так как при этом гид равлические сопротивления движения жидкости и бурового ин струмента оказываются наименьшими. Благодаря более совер шенной очистке забоя процесс разрушения породы облегчается, значительно упрощается поверхностный комплекс по очистке жидкости от разбуренной породы. В результате скорость буре ния возрастает при снижении стоимости работ, в том числе изза снижения»расходов, связанных с приготовлением промывоч ных растворов.
Однако область применения водяной промывки ограничива ется лишь достаточно плотными породами, сохраняющими пол ную устойчивость при длительном контакте с водой и не погло щающими больших ее количеств. Поэтому в основном при бу рении стволов и скважин большого диаметра используют гли нистые растворы, к которым предъявляют особые требования. Они должны обладать небольшой вязкостью и легко перекачи ваться насосами, не расслаиваться, не отдавать и не принимать воду из массива, т. е. обеспечивать высокую стабильность, хо рошо очищаться на поверхности от разбуренной породы, не вы зывать коррозии металлических частей, абразивного действия трущихся деталей бурового инструмента, быть дешевыми.
Плотность раствора зависит от содержания в нем глины. Как показывает практика бурения, плотность раствора должна быть в пределах 1,1—‘1,2 г/см3. Чем ниже плотность раствора, тем выше скорость бурения. Однако в условиях высоких гидро статических напоров подземных вод и интенсивного проявления горного давления приходится повышать плотность раствора до 1,4 г/см3 и более путем увеличения содержания в растворе гли
ны и специальных утяжеляющих добавок (молотого гематита, магнетита, барита и др.).
Вязкость раствора существенно зависит от плотности и определяется количеством и качеством исходных материалов
(воды, глины и добавок), способа его приготовления. На прак тике вязкость характеризуется как обратная величина его те кучести, определяемой продолжительностью истечения раствора из воронки вместимостью 0,5 л через отверстие диаметром 5 мм.
.Увеличение вязкости затрудняет его поглощение пересекае мыми породами и улучшает условия очистки забоя от разбу ренной породы. Вместе с тем при чрезмерно вязких растворах ухудшается процесс очистки его на поверхности от разрушен
ной |
породы и |
увеличиваются |
гидравлические сопротивления |
|
при бурении. |
|
|
|
|
Статическое |
напряжение сдвига (СНС) — основной |
показа |
||
тель |
структурно-механических |
свойств промывочных |
жидко |
стей. Глинистые растворы относятся к гетерогенным системам. Явление внутреннего трения при движении таких растворов не подчиняется закону Ньютона. Эти растворы способны сохра нять в состоянии покоя касательные напряжения сдвигу, упо добляясь до некоторой степени твердым телам. Показатель СНС характеризуется усилием, отнесенным к 1 см2 площади, которое необходимо приложить для того, чтобы вывести рас твор из состояния покоя. Показатель СНС измеряют вискози метрами.
Всостоянии покоя СНС глинистых растворов 'увеличивается,
т.е. они обладают свойством тиксотропии, имеющим большое практическое значение, так как оно придаетраствору способ ность удерживать во взвешенном состоянии частицы разрушен ной породы в случае прекращения циркуляции, сравнительно быстро загустевать при поглощении раствора большими трещи
нами, пустотами и вместе с тем легко перекачиваться насоса ми, очищаться на поверхности от разрушенной породы.
Показатель тиксотропности раствора определяется как отно шение величин, полученных через 10 мин и через 1 мин состоя ния покоя. Для хороших растворов этот показатель должен быть в пределах 2—2,5. При этом начальное статическое на пряжение сдвига (при 1 мин покоя) должно равняться около
10мг/см2.
Ст а б и л ь н о с т ь р а с т в о р а — важнейшее свойство, ха
рактеризующее внутреннюю структуру раствора. Способность раствора сохранять свою структуру (не расслаиваться, не от давать и не воспринимать воду) при бурении стволов и сква жин большого диаметра особенно важно, так как в работе дли тельное время находятся значительные объемы-раствора.
Высококачественные растворы обладают низкой водоотда чей, определяемой количеством жидкости в 1 см3, проходящей в течение 30 мин через бумажный фильтр диаметром 75 мм. Растворы с малой водоотдачей образуют тонкую малопроницае мую корку небольшой механической прочности.
С о д е р ж а н и е |
п е с к а в растворе определяет абразивные |
действия раствора |
на буровое оборудование. Как показывает |
опыт буровых работ, содержание песка в растворе не должно превышать 4% по объему.
В процессе бурения необходимо осуществлять контроль за качеством растворов и при необходимости принимать меры по поддержанию свойств в требуемых пределах. С этой целью ис пользуют различные добавки. Так для понижения вязкости рас творов применяют молекулярно обезвоженные фосфаты и поли* фосфаты, кислый пирофосфат натрия, гексаметофосфат натрия, сульфитно-спиртовую барду, гуминовые кислоты (бурый уголь и торф) и другие вещества.
Для снижения водоотдачи в растворы добавляют бентонит, углещелочной реагент и другие добавки.
6.2,5. Возведение постоянной крепи
При бурении глубоких стволов в качестве постоянной крёпи применяют чугунные и железобетонные тюбинги, металлобетон ную крепь, состоящую из металлических обечаек с бетонным заполнением между ними. При бурении стволов небольшой глу бины и скважин большого диаметра в основном применяют ме таллические обечайки.
В зависимости от технологии производства работ различают два способа возведения постоянной крепи: на плаву и погруж ной секционный.
Первый способ — возведение крепи на плаву осуществляют' следующим образом. Первоначально на платформе 1 собирают днище крепи 2, на котором затем монтируют секцию из тюбин гов 3 высотой 3—4 м (рис. 6.7, а). После этого -платформу уста навливают над стволом и секцию с помощью талевой системы опускают в ствол, заполненный глинистым раствором до тех пор, пока она не начнет пла-вать (рис. 6.7,б,в). В дальнейшем крепь наращивают отдельными секциями, которые поочередно собирают на правой и левой платформах 4 (рис. 6.7, г). Соеди няют секции между собой с раздвижных платформ, перекрыва ющих ствол.
Для погружения крепи в ствол внутрь постоянной крепи за качивают балластную жидкость (обычно глинистый раствор). После возведения крепи на полную глубину ствола пространст во между крепью и породой заполняют цементным раствором, который подают с поверхности по трубам. По мере заполнения кольцевого пространства трубы поднимают, пока уровень це ментного раствора не достигнет земной поверхности. После за твердения раствора откачивают балластную жидкость и арми руют ствол.
Рис. 6.7. Возведение крепи погружным способом на плаву
Все работы по возведению постоянной крепи на плаву про изводят на земной поверхности с использованием крупных сборных секций и с применением механизации. Все это позво ляет обеспечить высокие скорости возведения крепи (до 25 м/сут
и более) при |
высоких качестве монтажных работ и герметич |
||
ности крепи. |
К недостаткам способа |
можно |
отнести наличие |
значительных |
монтажных нагрузок, |
особенно |
при креплении |
глубоких стволов, и необходимость иметь большой (не менее 0,3 м) зазор между крепью и породой, что приводит к большо му расходу тампонажных материалов, увеличивает стоимость и сроки строительства стволов. По данным практики применение способа возведения постоянной крепи на плаву наиболее целе сообразно при бурении стволов шахт большой глубины в сла бых неустойчивых породах, в которых монтажные нагрузки бу дут меньше, чем ожидаемое горное давление на крепь.
Второй погружной секционный способ возведения постоян ной крепи заключается в следующем (рис. 6.8). Первоначально в ствол, заполненный глинистым раствором, на буровой колон не 1 опускают секцию крепи 2 высотой 4—5 м, которую тща тельно устанавливают на забое с таким расчетом, чтобы были обеспечены строгая вертикальность ее и равномерный зазор по периметру между крепью и породой. Затем секцию омоноличивают цементным раствором, подаваемым по буровой колонне в кольцевое пространство, и возводят бетонное днище крепи 5 на высоту 2—3 м. После этого наращивают крепь высотой 4— 5 м в направлении снизу вверх отдельными секциями 2 при бурении стволов или плетями 3 при бурении скважин большого диаметра высотой до 25 м и более, которые собирают в устье
.ствола из отдельных секций 2. Секции (плети) опускают с по мощью буровой колонны. Для обеспечения стыковки секций (плетей) между собой каждая из них в нижней части снабжа ется специальными направляющими 4. После монтажа всей крепи приступают к тампонажным работам.
Для контроля за положением секции (плети) во время ее спуска и установки применяют специальные внешние направ ляющие и приборы, работающие на принципе измерения уров ня жидкости в сообщающихся сосудах. После установки секции (плети) в закрепное кольцевое пространство нагнетают тампо нажный раствор 6, подаваемый по буровой колонне до запол нения кольцевого пространства на высоту секции (плети).
Применение погружного секционного способа возведения крепи исключает возникновение больших монтажных нагрузок на крепь, обеспечивает увеличение скорости возведения крепи особенно при применении плетей, а также позволяет уменьшить кольцевой зазор до 0,15 м, так как используют секции неболь
шой высоты. Вместе с тем этот способ возведения крепи имеет и существенные недостатки.
Рис. |
6.8. П огруж ной секционный спо |
соб |
возведения постоянной крепи |
Обеспечить качественную стыковку секций, подвешенных на гибкой буровой колонне в стволе, заполненном глинистым рас твором, весьма сложно. Поэтому наличие большого числа не уплотненных стыков между секциями создает значительные трудности "в- обеспечении водонепроницаемости крепи. Кроме того прерывистое нагнетание тампонажного раствора в закрепное пространство обусловливает большое число «холодных швов», снижающих качество тампонажных работ, В связи с этим погружной секционный способ возведения крепи в основ ном применяют при бурении скважин большого диаметра, где
в |
качестве крепи используют герметичные металлические обе |
||||
чайки, собираемые |
на |
поверхности перед |
спуском |
в скважину |
|
в |
плети длиной до |
50 |
м. В зарубежной |
практике |
этот способ |
возведения постоянной крепи применяют при бурении стволов шахт диаметром 4,5 м и более.
6.2.6. Гидроизоляционные работы
Гидроизоляционные работы проводят с целью стабилизации и закрепления пород вокруг выработки, обеспечения равномер ной нагрузки на крепь, придания крепи герметичности, а также исключения гидравлической связи отдельных водоносных гори зонтов меэйду собой. Гидроизоляционные работы включают в себя два этапа: тампонирование цементным раствором кольце вого пространства между крепью и породой и контрольный тампонаж пород после возведения постоянной крепи.
Как указывалось выше, тампонирование кольцевого прост ранства при возведении постоянной крепи на плаву производят через 6—8 ставов труб, опущенных с поверхности в кольцевое пространство на полную глубину ствола, которые по мере за полнения пространства постепенно поднимаются вверх таким образом, чтобы нижние концы их постоянно находились на 1— 1,5 м в тампонажном растворе, т. е. применяют метод тампони рования восходящим потоком. При возведении погружной секционнрй крепи тампонирование кольцевого пространства произ водят после установки каждой секции крепи также методом
восходящего потока.
Контрольный тампонаж производят после завершения работ по возведению постоянной крепи и заполнения кольцевого про странства. Работы по тампонажу ведут-с подвесных полков заходками высотой 3—4 м в направлении сверху вниз. По мере откачки балластной жидкости и очистки крепи с нижнего эта жа полка в породу через специальные отверстия в крепи на глубину 1,5—2 м бурят скважины. В водоносных породах сква жины бурят через превенторы. С верхнего этажа полка нагне тают тампонажный раствор с помощью цементационных насо
сов типа |
ЗИФ, НГ, НЦ |
и др. Используют чистые цементные |
||
растворы |
состава |
1 :0,5 |
и |
1:1 или цементно-песчано-глинистые |
растворы |
состава |
1: 1: 1. |
Давление нагнетания тампонажных |
растворов не должно превышать расчетную нагрузку на крепь.
6.3; БУРОВЫЕ УСТАНОВКИ |
|
|
|
В основу классификации буровых |
установок |
заложен ряд |
|
конструктивных и технологических принципов. |
|
|
|
Буровые установки подразделяют в зависимости: |
выработ |
||
от размеров поперечного сечения |
выбуриваемой |
||
ки — на установки для бурения стволов шахт и |
для |
бурения |
|
скважин большого диаметра; |
|
|
|
взависимости от принципа обработки породы в забое — на установки сплошного разбуривания и колонкового или керново го бурения;
взависимости от места расположения главного двигателя —
на установки роторного типа с приводом, на земной поверхно сти и реактивно-турбинные с приводом на забое выработки.
Сочетание указанных принципов разделения буровых уста новок нередко переплетается между собой. Так, напр'имер, бу ровые установки для бурения стволов шахт могут быть уста новками роторного или реактивно-турбинного типа, установка ми сплошного разрушения породы или кернового бурения.
6.3.1. Буровые установки для бурения стволов шахт
Техническая характеристика отечественных буровых устано вок, приведена в табл. 6.1.
Буровые установки типа РТБ предназначены для бурения стволов диаметром от 3,0 до 6,2 м. Принцип работы установок типа РТБ заключается в следующем (рис. 6.9). После проход ки устья ствола, монтажа установки и оборудования в ствол опускают буровую колонну 6 с забойным агрегатом 8. В каче стве забойного агрегата используют реактивно-турбинный бур.
Агрегат РТБ представляет собой жесткую конструкцию, со стоящую из четырех турбобуров.
Четырехтурбинные буры РТБ-3000, РТБ-4000 и РТБ-5000 представляют собой пространственную конструкцию (рис. 6.10) с эксцентричным расположением турбобуров. Они состоят из траверсы 2 с центральным верхним ниппелем 1, через который бур соединяется с бурильной колонной и нижними ниппелями 3
Тип
установки
БУ -7 5 Б р Э
БУ -8 0 Б р Э
«У р ал м аш БЭ -3000»
«У р ал м аш 4Э -76»
УР Т Б -6 ,2
УЗ Т М -8,75
Т а б л и ц а 6.1
Тип привода |
Максимальная глубина буре ния, м |
Коэффициент максимальной крепости пород |
Грузоподъем ность талевой системы, т |
Общая устано вочная мощ ность главного привода, кВт |
Мощность, пе редаваемая на вал ротора, кВт |
Масса установки, т |
|
1 |
|
|
|
|
|
Р Т Б |
800 |
12 |
100 |
964 |
_ |
|
142 |
Р Т Б |
800 |
12 |
140 |
901 |
250 |
|
247 |
Р Т Б |
1000 |
12 |
160 |
1898 |
368 |
|
292 |
Р Т Б |
1500 |
12 |
225 |
2034 |
368 |
(без |
169 |
|
|
|
|
|
|
блоч |
|
|
|
|
|
|
|
ных |
осно |
|
|
|
|
|
|
ваний) |
|
Р Т Б |
1000 |
12 |
130 |
416 0 |
|
785 |
|
Роторный |
800 |
4 |
500 |
3230 |
320 |
2027 |
для подсоединения турбобуров 4. На нижних опорных поясках 11 закреплена с помощью разрезных втулок 10 нижняя плита 9, на которой смонтированы грузы-утяжелители 8. Для прида ния жесткости РТБ над грузами-утяжелителями монтируют верхнюю плиту 7, в которой верхними разрезными втулками 6 раскрепляются турбобуры. Установленный над плитой хомут 5 предотвращает перемещение грузов-утяжелителей вверх во время спуска на забой. Разрушение забоя осуществляется до лотами 15, соединенными с валами турбобуров 13 через пере водники 14. Для очистки забоя от крупных фракций разрушен ной породы бур снабжается шламоуловителем 12.
В турбобурах гидравлическая энергия потока промывочной жидкости превращается в механическую, направленную на вра щение долот.
Рис. 6.10. Схема четырехтурбинных РТБ
Рис. 6.11. Схема промплощадки при бурении ствола
Для вращения турбобуров 8 (см. рис. 6.9) с поверхности грязевыми насосами 10 нагнетают промывочную жидкость че рез трубопровод 11, вертлюг 1, квадратную штангу 2 и буриль ную колонну 6 в траверсу (коллектор) агрегата 7. Из траверсы промывочная жидкость поступает в турбобуры и приводит во вращение вал каждого из них. Вместе с валом вращается и