Обоснование параметров технологии бурения шахтных стволов в условиях многолетнемерзлых пород

Орешкин, Олег Анатольевич

Автореферат диссертации по теме "Обоснование параметров технологии бурения шахтных стволов в условиях многолетнемерзлых пород"

На правах рукописи УДК 622.243.94

Орешкин Олег Анатольевич

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИИ БУРЕНИЯ ШАХТНЫХСТВОЛОВ В УСЛОВИЯХ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ПОРОД

Специальности: 25.00.22 - Геотехнология (подземная,

открытая и строительная) 25.00.20 - Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2004

Работа выполнена в Московском государственном горном университете

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Федунец Борис Иванович

Научный консультант

кандидат физико-математических наук, доцент

Харахан Марк Леонидович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Насонов Илья Дмитриевич

Защита диссертации состоится «22» ноября 2004 г. в «£?» часов на заседании диссертационного совета Д 212.128 05 при Московском государственном горном университете по адресу: 119991, Москва, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета

Автореферат разослан «2/» октября 2004г.

кандидат технических наук, доцент Дугарцыренов Аркадий Владимирович

Ведущая организация

Институт ПечорНИИпроект филиал ОАО «Воркутауголь»

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических

наук, профессор

Крюков Георгий Михайлович

Общая характеристика работы

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 прлн^уя бурения ня ММТТ,

|>ОС НАЦИОНАЛЬНАЯ | БИБЛИОТЕКА/

СПете

О» я»'

ПОТЕКА„,

1 --——*

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 эрлифтными 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 газонефтедобывающей, 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 и теплового потока на поверхности скважин в ММП в процессе их эксплуатации, 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 филиалом ОАО «Воркутауголь» при проектировании строительства вертикальных стволов шахт.

з

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» (МГГУ, 2004г.); на семинарах кафедры «Строительство подземных сооружений и шахт» (МГГУ 20032004г.).

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.

Основное содержание работы

Проведенный анализ отечественного и зарубежного опыта строительства стволов бурением показал, что существует несколько основных направлений развития стволопроходческой техники. Общими характеристиками для всех направлений являются следующие: механизация процессов проходки ствола, отсутствие людей в забое сооружаемой выработки и, как следствие, большая безопасность ведения работ по сравнению с технологией буровзрывных работ (БВР), высокое качество сооруженной выработки вследствие ненарушенности вмещающего массива пород (как это происходит при способе БВР).

Значительный вклад в исследование процессов бурения стволов и скважин большого диаметра внесен проектно-конструкторскими и научно-исследовательскими организациями: ВНИИБТ, ЦНИИподземмаш, ИГД им. Скочинского, ГХК Спецшахтобурение и др.

Отечественная школа бурения стволов и скважин большого диаметра базируется на работах И.Д. Насонова, М.Н. Шуплика, В.А Федюкина, А.З. Астраханя, В.Г. Качана, Е.В. Леоненко, Н.П. Жиленко, И.Л. Купчинского и других ученых.

В современной зарубежной и отечественной практике наиболее широкое распространение при строительстве стволов получил способ

эрлифтного штангового бурения. Прежде всего, это связано с возможностью, в ряде случаев, проходить выработки в неустойчивых породах без применения специальных способов, так как при проходке ствол заполняется промывочной жидкостью, выполняющей функцию временной крепи. Способ характеризуется относительно невысокой стоимостью и высокой надежностью оборудования, простотой эксплуатации.

Также этот способ наиболее подходит для строительства вертикальных горных выработок в условиях распространения многолетнемерзлых пород.

Наиболее производительными и надежными являются установки немецкой фирмы «Вирт» (^гШ), позволяющие проходить выработки диаметром до 8 метров, применение которых для проходки стволов в условиях распространения многолетней мерзлоты рассмотрено в этой работе.

При применении технологии бурения стволов в районе распространения многолетнемерзлых пород основными влияющими на выбор и обоснование параметров технологии факторами являются особенности строения многолетнемерзлых пород и их физико-механические свойства.

Основными факторами, влияющими на прочностные свойства многолетнемерзлых пород, являются силы сцепления, под которыми понимают силы взаимодействия между их компонентами: твердыми частицами, льдом, незамерзшей водой. Твердые минеральные частицы оказывают существенное влияние на свойства мерзлых пород, которые зависят как от размеров и формы частиц, так и от физико-химической природы их поверхности, определяемой главным образом, минералогическим составом частиц.

При этом наибольшее влияние на устойчивость пород имеют связи, обусловленные цементирующим льдом.

Особенностью бурения в мерзлых породах является их чувствительность к изменению теплового режима. Повышение температуры приводит к нарастанию пластичности. При повышении температуры до положительных значений, достаточных для изменения фазового состояния льда, происходит полная потеря связности пород.

Исходя из этого, необходимо учитывать процессы тепломассопереноса, сопровождающие бурение и эксплуатацию ствола, определяющихся большим количеством различных факторов и, прежде всего, термодинамическим состоянием горных пород.

Большой вклад в разработку методов расчета температурного режима сооружаемой бурением выработки внесли: Р. И. Медведский, В.Т. Седов, М.А. Пудовкин, А.Н. Саламатин, В.А. Истомин, В.К. Чистяков, Б.Б. Кудряшов и другие ученые. Этот вопрос исследован учеными с точки зрения бурения геологоразведочных и газо- нефтедобычных скважин.

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 являются: 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, бурового инструмента, цемента, и как следствие, к снижению экономической эффективности. При этом наиболее рациональной и экономичной является одноколонная конструкция крепи.

На основании многочисленных экспериментов и накопленного практического опыта исследователими: А.В. Марамзиным, Р.И. Медведским В.К. Чистяковым и др. установлено, что при бурении выработок с применением промывочных агентов с отрицательной температурой и сохранении естественной отрицательной температуры многолетнемерзлых пород они являются достаточно устойчивыми.

Исходя из этого, предложен способ бурения ствола на всю глубину без применения кондуктора в ММП с сохранением их естественного температурного режима.

Очевидно, что буровой раствор для применения в области многолетнемерзлых пород должен иметь отрицательную температуру, близкую к естественной температуре пород, и сохранять при этом свои свойства.

В отечественной и зарубежной практике бурения скважин в мерзлых породах использовались жидкости с добавлением солей, спиртовой барды, этиленгликоля. Применение 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.

На факт химической эрозии льда под действием раствора хлорида натрия при отрицательной температуре впервые обратил внимание А.В.Марамзин.

На интенсивность разрушения льда в мерзлой породе оказывает влияние и химический состав самой породы, так как при взаимодействии горных пород, насыщенных катионами кальция, с растворами хлорида натрия или калия происходит выделение теплоты.

Известно, что ряд промывочных растворов, содержащих органические гидрофобные жидкости (углеводородные топлива и смазки, н-бутил-ацетат, анизол и др.) или полностью состоящих из них, является инертным

по отношению ко льду при отрицательных температурах. При положительных температурах скорость разрушения льда в них в несколько раз ниже скорости разрушения в водных растворах. Слабое влияние этих растворов на лед объясняется созданием на поверхности последнего гидрофобной экранирующей пленки, препятствующей проникновению фильтрата. Аналогичный эффект наблюдается при введении в промывочный раствор битума, смол, воска и других гидрофобных материалов (Б.Б. Кудряшов, А.М. Яковлев). Незначительной скоростью разрушения льда обладают также газообразные и газожидкостные промывочные среды (ГЖС).

При этом использование различных добавок повышает стоимость раствора, а его применение целесообразно только на промежутке, представленном многолетнемерзлыми породами.

Исходя из вышеизложенного и учитывая, что интенсивность воздействия промывочной среды на лед в динамических условиях значительно выше по сравнению с воздействием в статических условиях, а также учитывая сравнительно высокую стоимость растворов со специальными добавками, предложен способ бурения ствола с использованием двух жидкостей: первая используется в качестве промывочной жидкости для бурения выработки, вторая - для поддержания многолетнемерзлых пород. При этом в качестве поддерживающей наиболее целесообразно применять гидрофобную жидкость.

Применение двух буровых растворов с различными свойствами возможно при отсутствии их смешивания. Одним из условий разделения жидкостей по уровню и предотвращению смешивания является неравенство их плотностей. Вторым и достаточным условием является применение в верхней части гидрофобной жидкости, поскольку в нижней основной части выработки применяются растворы на водной основе.

Предложены и рассмотрены варианты организации работ и подачи промывочной жидкости в нижнюю часть выработки, которую можно осуществлять через наклонную скважину, подвесной став теплоизолированных труб, двойной буровой став.

Установлено, что 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.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. 1).

Рис.1. Схема бурения основной части ствола с применением двойного бурового става, поддерживающей и промывочной жидкостей

При этом учитывалось, что по внутреннему каналу бурового става циркулирует смесь трех сред: бурового раствора, воздуха, разбуренной породы.

Гидродинамические параметры вычислены согласно методикам, рекомендованным для глинистых растворов. При этом используем соотношения, содержащие безразмерные критерии, как принято при моделировании физических процессов в горном деле.

Коэффициент теплоотдачи определен по эмпирической формуле Б.И. Есьмана, рекомендуемой к использованию при турбулентном движении в трубах глинистого раствора:

где X - коэффициент теплопроводности среды, Вт/(м-К); d - диаметр канала, м;

Рг1 - обобщенный параметр Прандтля, определяемый с помощью соотношения

а

где Ии - критерий Нуссельта. Приэтом:

(1)

а = 0,023(К.е')°'8(Рг')м —, (I

(2)

где с - удельная теплоемкость, Дж/(кг*К); динамическая вязкость, Пах; динамическое напряжение сдвига, Па;

обобщенный параметр Рейнольдса, определяемый с помощью соотношения

Результаты расчетов приведены в таблице 1. Заметим, что при расчете для пульпы приняты усредненные данные (по массе, плотности, удельной теплоемкости).

Таблица 1

Основные расчетные параметры и критерии циркулирующих в буровом ставе сред

Параметры и критерии Промывочная жидкость, движущаяся по кольцевому пространству выработки Пульпа Промывочная жидкость, движущаяся по кольцевому пространству бурового става

Вязкость, А-Ю4 [Па с] 1305 1203 1305

Теплоемкость, с [Дж/м-К] 3400 2200 3400

Коэффициент теплопроводности, 0,56 0,335 0,56

Плотность, р[кг/мь\ 1070 550 1070

Коэффициент температуропроводности, х [м УС1 1,54*10"7 2,77* 10'7 1,54*10"7

Скорость движения, V [м/с] 0,01 3,4 1,5

Параметр Рейнольдса Яе 1554 51296 18694

Параметр Правдтля Рг 7,9 7,9 7,9

Обобщенный Параметр Рейнольдса Яе' 0,42 34859 11100

Обобщенный Параметр Прандтля Рг' 60183 116 133,43

Расход О \мг!с\ 0,145 0,29 0,1452

Коэффициент теплоотдачи при движении среды, а [вт/(мг • °с)| 673 1033

Приведенные в табл. 1 данные использованы для нахождения температуры наружной стенки бурового става. На поверхности бурового става была выбрана температура 12°С.

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).

На основании методик расчета, рекомендованных специалистами фирмы «Вирт», нами построены характеристические линии эрлифта для двойного бурового става, позволяющие определять необходимый расход промывочной жидкости в зависимости от глубины забоя, скорости бурения ствола, концентрации породы в пульпе (рис. 2). Основанием для расчетных программ фирмы «Вирт» являются: модель Раутенберга для перекачивания чистой жидкости, модель Дедигеля для перекачивания твердого материала.

Рис. 2. Характеристические линии эрлифта а) расход промывочной жидкости V/ в зависимости от расхода воздухаУф б) расход твердой фазы Уз в зависимости от расхода воздуха; в) расход твердой фазы V, в зависимости от расхода воздуха Уа

Используя эти графики, легко определить требуемые значения технологических параметров в зависимости от текущих условий.

Необходимо отметить, что в процессе бурения выработки, контролю гидродинамических параметров установки должно уделяться особое внимание, поскольку положение границы раздела сред напрямую зависит от соотношения объемов подаваемого по кольцевому каналу бурового става и выдаваемого эрлифтом бурового раствора.

Для исследования влияния процесса бурения на устойчивость стенок выработки, представленных многолетнемерзлыми породами, рассмотрено два варианта теплового воздействия:

1) бурение непосредственно по многолетнемерзлым породам;

2) бурение основной части ствола, при отсутствии циркуляции промывочной среды в области многолетнемерзлых пород.

В первом случае, на основании известного многолетнего опыта бурения, основное тепловое влияние на ММП оказывается со стороны циркулирующего бурового раствора, воспринимающего дополнительное тепло в призабойной области за счет контакта с породоразрушающим инструментом.

Одним из наиболее простых и достаточно полных по учету определяющих факторов является решение, полученное на кафедре технологии и техники бурения скважин Ленинградского горного института (ныне Санкт-Петербургский государственный горный институт имени Г.В. Плеханова). С помощью этого решения легко производятся оценки радиуса теплового влияния и радиуса оттаивания ММП.

Во втором случае бурение основной части ствола, при отсутствии циркуляции промывочной среды в области многолетнемерзлых пород, сопровождается тепловыделениями, которые имеют место на контакте дзух жидкостей со стороны более теплой жидкости, а также со стороны бурового става, так как внутри него прокачивается смесь буровой жидкости разбуренной породы и воздуха.

Произведено сравнение мощности источников тепловыделения в буримом стволе, влияющих на термодинамическое состояние первой промывочной жидкости, используемой для поддержания многлетнемерзлых пород.

Плотность теплового потока (Вт/м) через боковую стенку бурового става на единицу длины:

где - площадь сечения бурового става, м2; р - плотность раствора, кг/м3;

у - скорость движения раствора в буровом ставе, м/с; дГ - перепад температуры раствора по глубине ММП, К; А - мощность толщи ММП, м.

Соответственно количество тепла, поступающего снизу в 1 секунду со стороны второй жидкости, не превышает:

Таким образом, отношение У пропорционально коэффициенту температуропроводности Поскольку в реальных случаях

источником тепла, поступающего снизу, можно пренебречь.

В результате сравнения тепловых потоков источников установлено, что основным источником тепловыделения в области поддерживающей жидкости, влияющим на устойчивость многолетнемерзлых пород при бурении основной части ствола штанговыми эрлифтными буровыми установками, является став буровых труб, по которому выносится пульпа, имеющая положительную температуру.

С целью изучения процесса теплопереноса и определения критериев его оценки проведено математическое моделирование процесса распределения тепла через поддерживающую жидкость.

Произведенный анализ существующих методов исследования процессов теплопереноса при бурении скважин и их моделирования, применительно к оценке теплового влияния на ММП в процессе бурения основной части ствола, показал, что все рассмотренные методы соответствуют условиям, при которых диаметр бурового става и диаметр сооружаемой скважины отличаются незначительно. В нашем случае диаметр ствола R превосходит диаметр бурового става Гг в 10 и большее количество раз (рис. 3).

Поэтому с началом процесса тепловыделения (с началом выноса пульпы) внутри и на поверхности става быстро устанавливается постоянная температура. Время необходимое для этого на много порядков меньше времени т, необходимого для того, чтобы тепло достигло стенки выработки.

Как было отмечено ранее, основным условием при сооружении выработки является обеспечение ненарушенности ММП, достигаемое за счет сохранения их в естественном состоянии.

«Допустимое время циркуляции промывочной жидкости» т, в течение которого тепло через поддерживающую жидкость достигнет стенок ствола является определяющим параметром для оценки термодинамической устойчивости ствола, обеспечивающим устойчивость ММП и безопасность ведения работ.

С целью оценки времени т будем искать нестационарное решение T(r,t) для Г2<г<оо, t>0 с граничным уел Tfo^^ïz^onet и начальным

r\0s

условием T(r,0)=To=const<0 С, принимая при этом общие для большинства

методик расчета допущения в части осреднения физико-механических свойств многолетнемерзлых пород по глубине.

Рис. 3. Схема к математическому моделированию процессараспределениятепла. ri —радиусвнутреннего канала, Г2 - наружный радиус бурового става, R -радиус ствола.

Заметим при этом, что граничное условие первого рода использовалось многими исследователями, например А.Ф. Чудновским, Д. Егером.

Параметр т оценен как функция температуры Тг на поверхности бурового става и теплофизических свойств, которые считаем константами. Таким образом, задачу расчета температуры T(r,t), как функции радиуса r и времени, сформулируем как плоскую осесимметричную задачу с цилиндрическим источником тепла в бесконечной среде.

С этой целью получено решение T(r,t) уравнения теплопроводности в полярных координатах, которое изначально имеет вид:

где % - коэффициент температуропроводности [м2/с].

Начальные и гоаничные условия имеют вид: Т(г ,0)= Г0 = const, гг < R < оо

T(r2,t) = T2 = const, 7"(r,f)|r-».->0

Решение такой задачи известно (Г. Карслоу, Чудновский), однако оно представлено в форме инженерных расчетов, поэтому в приложениях используются различные аппроксимации.

В представленной диссертационной работе получено точное решение (6) в другой форме, удобной для инженерных расчетов. Для чего

Д. Егер, А.Ф. неудобной для

использован подход, сформулированный в работах Кочиной П.Я. при рассмотрении вопросов теории фильтрации. Следуя этому подходу, была

введена новая безразмерная переменная £ = и найдено автомодельное

решение уравнения (6), зависящее от этой переменной.

При этом уравнение (6) приводится к обыкновенному дифференциальному уравнению:

общее решение которого имеет вид:

< ч

(7)

Произвольные постоянные С1 и Сг определяются из начальных при

условий. Тогда решение (6)

и граничных при

принимает вид:

где выражения ¡—(Ь] И <1т] представляют собой интегральные

показательные функции и могут быть выражены через функцию £,(*) (или функцию Эйлера £'(х)):

Функция 0 описывает, по существу, расплывание «теплового пакета» со временем, поэтому предложено назвать функцию 0 функцией теплового влияния. Средствами МаШСАО произведен расчет и построен график (рис. 4) распределения ©(/?,/) для различных моментов времени, определяемых величинами типовых значений радиусов выработки (2,35; 2,8; 3,25; 3,85 м.).

Допустимое время циркуляции промывочной жидкости Ту найдено исходя из определения допустимой величины соотношения:

Рис. 4. Распределение функции теплового влияния для различных моментов времени, определяемых величинами типовых значений радиусов выработки

Так, например, для Гг=0,25 м и 11=2,35 м значение функции 0=0,013 соответствует времени Тп,35 ==4,6*105 с, что в переводе на сутки дает *Т2,35=53 дня.

Произведено графическое сравнение полученного нами выражения (9) с решением, табулированным Егером.

С этой целью уравнение (9) выражено в безразмерных переменных

Результаты вычислений для трех значений Л = 10,30,1000 представлены на рис.5, где графики функции 0 изображены сплошными линиями, а соответствующие им табулированные значения U - пунктиром.

По оси абсцисс отложены значения безразмерного радиуса 1Ги х.

Графики демонстрируют хорошее совпадение в области, где шаг табуляции соответствует темпу изменения производной функции ^ при этом функция 0 вычислена с шагом 0,001.

20 40 М Ю Я

Рис.5. Сравнение поведения функции теплового влияния л) С зависимостями относительной температуры Карслоу и Егера и(х,Ри), построенными по числовым значениям, полученным Егером для трехзначений критерия Фурье: Ео=10, Ро=30 и Ро—ЮОО.

С использованием выражения (9) произведена оценка изменения допустимого времени т с увеличением радиуса R выработки.

С этой целью использовано асимптотическое поведение функции

Поскольку характер поведения функции определяется быстро меняющейся экспонентой, то допустимое время т дается соотношением:

Погрешность приближенного значения Тт менее 5%, что достаточно для принятия инженерных решений.

Таким образом установлено, что допустимое время т определяется не только радиусом выработки R, но зависит и от теплофизических характеристик поддерживающей жидкости: коэффициента

Дж

объединенных в один комбинированный параметр

кг-К

коэффициент температуропроводности х

На рис. 6 приведена зависимость допустимого времени т как функция радиуса выработки R для различных значений коэффициента температуропроводности

Рис.6. Зависимость допустимого времени циркуляции промывочной жидкости г как функция радиуса выработки для различныхзначений коэффициента температуропроводности

Для демонстрации возможностей полученного нового решения (9) заметим, что непосредственным дифференцированием решения (9) получается распределение теплового потока, которое меняется со временем так, что поток тепла, необходимый для поддержания постоянной

температуры на поверхности при

со временем уменьшается, что

согласуется с известным опытом эксплуатации скважин ООО «Надымгазпром». Кроме того, распределение теплового потока также может быть использовано для расчета допустимого времени т.

Для этого оценим радиальный тепловой поток в зависимости от радиуса г и времени ^ где г - расстояние от оси скважины.

В соответствии с определением теплового потока:

отсюда следует:

Тогда значению допустимого времени тч соответствует время, при котором величина теплового потока еще пренебрежимо мала, но уже отлична от 0 и достигает значения д=10"2 Вт/м.

Разрешая формулу (15) как уравнение относительно И.', имеем:

(16)

Л' = 4Я- X - 1п д - 1п Е, ^^

Из выражения (16) при заданном значении д легко найти характерные значения И' в зависимости от Ро. Зависимость допустимого времени циркуляции от радиуса сооружаемой выработки для различных значений коэффициента теплопроводности поддерживающей жидкости X, соответствующих значениям коэффициента температуропроводности представленных на рис. 6, приведена на рис. 7.

Рис. 7 Зависимость допустимого времени циркуляции промывочной жидкости Т как функция радиуса выработки для различных значений коэффициента теплопроводности (Х)=0,2; 0,4; Л3=2 Вт/(мЮ)

Такая оценка допустимого времени тч дает значения того же порядка величины, что и %т, но несколько меньшие, поскольку отвечает пренебрежению уже не самой функции 0, а ее производной (табл. 2).

Таким образом, оценка допустимого времени бурения (циркуляции промывочной жидкости) определяется условием:

При этом в течении времени тч многолетнемерзлые породы гарантированно не испытывают даже малого теплового влияния (4=0,01).

Таблица 2

Значения моментов времени, определяемые типовыми радиусами бурения

Гс, [М] 2,35 2,8 3,25 3,85

гт, [сут] 53 82 104 155

Ч [сут] 25 32 43 63

Так как в большинстве случаев время бурения ствола превышает допустимое время, определяемое по разработанной методике (табл. 3), необходимо принимать меры по сохранению естественной отрицательной температуры пород.

Таблица 3

Темпы строительства стволов установками «Вирт» L-35, L-40 в зависимости от диаметра бурения (проектная глубина 400 м)

Процессы Продолжительность основных процессов строительства ствола

0=4,7 м 0=5,6 м 0=6,8 м 1Э=7,9м

Бурение 8,8 мес 15,5 мес 18,5 мес 23 мес

Крепление 2,7 мес 3,3 мес 4,2 мес 5,5 мес

Откачка жидкостей, проверка крепи выработки 14,4 сут 20 сут 30 сут 40,7 сут

Итого 11,9 мес 19,5 мес 23,7 мес 29,9 мес

В качестве такой меры рекомендована принудительная циркуляция поддерживающей жидкости.

При этом циркуляция осуществляется в течение времени, необходимого для перекачивания всего объема поддерживающей

жидкости, находящейся в стволе, через подвесной став, опускаемый до глубины распространения ММП. Откачиваемая жидкость замещается поступающей в верхней части выработки охлажденной поддерживающей жидкостью из резервуара, устраиваемого в ММП, что обеспечивает поддержание отрицательной температуры (рис.8).

Рис. 8. Схема бурения основной части ствола с применением двойного бурового става и осуществлением циркуляции поддерживающей жидкости

Учитывая, что среднегодовая температура в рассматриваемом регионе находится в пределах -7 градусов, охлаждение откачиваемой жидкости в зимний период рекомендовано осуществлять за счет теплообмена с атмосферным воздухом путем пропускания ее через теплообменник, расположенный на поверхности. В случае необходимости может осуществляться принудительная циркуляция воздуха с помощью вентилятора.

При возникновении необходимости охлаждения жидкости в летний период его рекомендовано осуществлять путем циркуляции через теплообменник, устроенный в ММП, а в случае невозможности размещения теплообменника в ММП рекомендовано применение охлаждающей станции.

Таким образом циркуляция осуществляется в системе ствол -теплообменник — резервуар - ствол и начинается в момент времени х„ ц., определяемый по формуле:

где тц — время перекачки полного объема поддерживающей жидкости, находящейся в стволе, зависящее от производительности применяемого для циркуляции насоса и определяемое формулой:

Тн.ц. — Т — Тц

(17)

где 0„ - производительность насоса, [м3/час];

¡к - объем поддерживающей жидкости, [м3]; кз - коэффициент запаса, принимаемый равным 1,05,

Для осуществления циркуляции рекомендовано применение насоса типа 9 МГр производительностью (Оя) 60 м3/час и подвесного става труб внутренним диаметром 200 мм, при этом скорость движения жидкости внутри подвесного става составит 0,54 м/с. В качестве подвесного става рекомендовано применение полиэтиленовых труб, что позволит более чем в 2 раза снизить общий вес става. Во время циркуляции движение поддерживающей жидкости в стволе осуществляется в ламинарном режиме.

Необходимая продолжительность циркуляции поддерживающей жидкости для различных диаметров стволов приведена в таблице 4.

Таблица 4

Продолжительность осуществления циркуляции поддерживающей жидкости для типовых радиусов выработки при ЬМцп=50 м и 0„=60 мУчас

Радиус выработки, И[м]

2,35

2,8

3,25

3,85

Площадь сечения выработки, в [м2]

17,35

24,63

35,26

46,57

Объем поддерживающей жидкости, V [м3]

967,5

1231,5

1763

2328,3

Время осуществления циркуляции поддерживающей жидкости, тц [час]

15,3

21,6

30,9

40,7

После осуществления циркуляции отсчет допустимого времени начинается от вновь установившихся начальных условий. Охлаждение поддерживающей жидкости предложенным способом осуществляют необходимое число раз в ходе бурения ствола, при этом не возникает необходимости в приостановке работ по бурению.

По окончании бурения ствола на проектную глубину, после демонтажа бурового органа осуществляется последняя циркуляция поддерживающей жидкости.

Крепление ствола осуществляется секционным способом. Для повышения устойчивости вмещающего выработку массива ММП целесообразно применять крепь с теплоизоляцией.

Для крепления интервала ствола, представленного многолетнемерзлыми породами, рекомендована стальная крепь с использованием в качестве теплоизоляции напыляемых сферопластиков, являющихся лучшими легкими материалами по сочетанию долговременных тепло- и гидроизолирующих свойств в водной среде под давлениями и обладающих высокими длительными прочностными свойствами.

Крепление основной части ствола также осуществляться стальной обечайкой с тампонированием закрепного пространства. При этом наиболее перспективным для применения в устойчивых и средней устойчивости породах является способ подводного возведения монолитной бетонной крепи, еще не получивший в настоящее время широкого распространения, в силу отсутствия опыта применения данного способа на значительных по протяженности участках проходимых стволов.

По окончании крепления производится осушение ствола, при этом в первую очередь осуществляется откачка поддерживающей жидкости, затем бурового раствора.

Разработанные технологические решения и обоснованные в диссертационной работе параметры позволяют минимизировать тепловое влияние процесса бурения на термодинамическое состояние ММП. С помощью разработанной методики оценки теплового влияния возможно оценить и прогнозировать допустимое время циркуляции промывочной жидкости, не вызывающее фазового перехода цементирующего ММП льда.

Результаты работы приняты к рассмотрению и использованию институтом ПечорНИИпроект ОАО «Воркутауголь» при проектировании строительства вертикальных стволов шахт.

Заключение

В диссертационной работе дано решение актуальной задачи, заключающейся в научном обосновании технологических параметров проходки бурением шахтных стволов и скважин большого диаметра в условиях многолетнемерзлых пород; использование этих параметров позволяет обеспечить ненарушенность выработки в процессе проходки и безопасность ведения работ.

Основные научные выводы и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Установлено, что наиболее эффективным способом строительства вертикальных горных выработок в многолетнемерзлых породах является бурение с применением штанговых эрлифтных буровых установок.

2. Применение промывочной и использование на протяжении ММП поддерживающей жидкостей при бурении стволов и скважин большого диаметра штанговыми эрлифтными буровыми установками в условиях многолетнемерзлых пород значительно снижает тепловое влияние на эти породы. Такое технологическое решение повышает эффективность проходки выработки, так как позволяет отказаться от сооружения кондуктора и использовать одноколонную конструкцию крепи, что упрощает работы и ведет к сокращению сроков строительства ствола, которое, на примере ствола диаметром 4,7 метра и глубиной 450 метра, составляет около 2,5 месяцев.

3. Поддержание естественного температурного режима многолетнемерзлых пород обеспечивается путем осуществления периодической принудительной циркуляции поддерживающей жидкости, время начала и продолжительность которой определяются в соответствии с предложенной в настоящей работе методикой.

4. Основным источником тепловыделения в области поддерживающей жидкости, при бурении основной части ствола, является буровой став, тепловой поток которого, при разности температур циркулирующей среды у верхней и нижней границы распространения многолетнемерзлых пород равной 2 градусам, составляет порядка 6 кВт/м.

5. Разработана математическая модель процесса теплопереноса при бурении скважины большого диаметра, позволяющая оценивать и прогнозировать безопасный период бурения, в течение которого теплообменные процессы не вызывают фазового перехода цементирующего многолетнемерзлые породы льда, а также характер распределения температурного поля по сечению ствола в области поддерживающей жидкости.

6. На основании разработанной методики оценки теплового влияния на многолетнемерзлые породы рекомендовано в качестве поддерживающей жидкости применять гидрофобные жидкости типа ГКЖ, а поддержание требуемой (отрицательной) температуры поддерживающей жидкости на протяжении времени бурения ствола рекомендовано осуществлять посредством ее периодической принудительной циркуляции с целью охлаждения.

7. Использование обоснованных в настоящей работе технологических решений и параметров, обеспечивающих ненарушенность ММП в процессе проходки ствола, а также разработанного метода оценки теплового влияния процесса бурения на ММП, позволяет

рекомендовать к применению способ бурения стволов штанговыми эрлифтными установками в условиях распространения многолетней мерзлоты. Ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов исследования, по сравнению со способом БВР, для ствола диаметром 4,7 метра и глубиной 450 метров в условиях Сейдинского месторождения Печорского угольно бассейна составит 13550000 рублей.

Основные материалы диссертации изложены в следующих опубликованных работах:

1. Федунец Б.И., Орешкин О.А Проходка стволов бурением при строительстве шахт // Горный журнал - 2001 — №7. - С. 33-37.

2. Орешкин О.А., Роменский Д.А. Физико-технические свойства многолетнемерзлых пород, влияющие на обоснование параметров комбайнов для проходки вертикальных стволов // Сборник научных трудов студентов магистратуры. - М.: Изд-во МГГУ,2002.

3. Орешкин О. А. Перспективы строительства шахт в Печорском бассейне // Экономика, экология и безопасность на производстве: Межвуз. сб. научн. тр. - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2002.

4. Орешкин ОЛ. Технологические решения для проведения стволов эрлифтными буровыми установками в условиях многолетнемерзлых пород // Материалы научного симпозиума «Неделя горняка - 2004». - М.: Изд-во МГГУ, 2003.

5. Федунец Б.И., Орешкин О.А. Проходка стволов большого диаметра в условиях многолетней мерзлоты с использованием стволопроходческого комбайна «Pauгat» // Материалы научного симпозиума «Неделя горняка - 2004». - М.: Изд-во МГГУ, 2003.

6. Федунец Б.И., Орешкин О.А. Крепление вертикальных стволов при проходке штанговыми буровыми установками // Уголь -2004-№10.

7. Харахан М.Л., Федунец Б.И., Орешкин О.А. Математическое моделирование процесса теплопереноса при бурении стволов большого диаметра. // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2004 - №10.

8. Орешкин О.А. Обоснование способа крепления и типа теплоизоляционных материалов при проходке вертикальных стволов штанговыми буровыми установками в многолетнемерзлых породах. // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2004 - № 10.

Подписано в печать 15.10.2004 г.

Объем 1 печ. л.

Тираж 100 экз.

Формат 60x90/16 Заказ №

Типография Московского государственного университета, Ленинский проспект, д. 6

»21183

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Орешкин, Олег Анатольевич

4

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ СПОСОБОВ ПРОХОДКИ

ШАХТНЫХ СТВОЛОВ.

1.1. Анализ способов проведения вертикальных выработок методом бурения отечественный и зарубежный опыт.

1.1.1 Комбайновый способ бурения стволов.

1.1.2.Бурение стволов штанговыми буровыми установками.

1.2Горно-геологинеская, геокриологическая характеристика Сейдинского месторождения Печорского угольного бассейна.

1.3.Физико-механические свойства многолетнемерзлых пород.

1.4.Выводы по главе.

1.5. Цели и задачи исследований.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТЕПЛОПЕРЕНОСА ПРИ БУРЕНИИ СТВОЛОВ И СКВАЖИН БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА В УСЛОВИЯХ РАСПРОСТРАНЕНИЯ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ПОРОД.

2.1.Основные технологические аспекты бурения стволов установками Вирт.

2.2. Теоретическое обоснование способа бурения шахтных стволов для условий многолетнемерзлых пород.

2.3. Анализ известных методик расчета температурного режима выработки при бурении в условиях ММП.

2.4. Определение радиуса теплового влияния на массив многолетнемерзлых пород в процессе бурения толщи ММП.

2.4.1 Методика определения коэффициента теплоотдачи от движущейся внутри бурового става среды.

5 2.5. Определение основных источников тепловыделений в области поодерживающей жидкости при бурении основной части ствола.

2.6. Математическое моделирование процесса распределения тепла через поддерживающую жидкость.

2.7. Технологические решения по поддержанию ММП в соответствии с результатами математического моделирования.

2.8. Выводы по главе.

ГЛАВА 3 РАСЧЕТ И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИИ.

3.1. Типы промывочных жидкостей и их влияние на цементирующий

ММП лед.

3.1.1. Выбор поддерживающей жидкости для области ММП

3.1.2. Выбор промывочной жидкости.

3.2. Определение гидродинамических параметров циркулирующих жидкостей.

3.3.Определение основных параметров эрлифтных систем буровых установок

3.3.1. Принцип работы эрлифтного способа.

3.3.2.Теоретический расчет эрлифтного гидротранспорта твердых материалов.

3.3.2 Исследование характеристических линий эрлифтной установки.

3.3.3 Влияние характеристик установки, свойств и концентрации твердого материала на характеристические линии эрлифта.

3.3.4. Влияние глубины забоя на производительность эрлифта.

3.3.5. Влияние глубины погружения смесителя на производительность эрлифта.

3.3.6. Влияние высоты подъема на производительность эрлифта.

3.3.7. Влияние диаметра бурильной колонны на производительность эрлифта.

3.3.8.Влияние свойств выбуренной породы на производительность эрлифта.

3.3.9. Влияние концентрации выбуренной породы на производительность эрлифта

З.ЗЛО.Использование характеристических линий эрлифта.

3.3.11.Установление функциональной зависимости между скоростью бурения и глубиной забоя.

3.3.12.0риентировочный расчет параметров компрессоров.

3.4.Крепление ствола

3.4.1. Типы и конструкции крепи.

3.4.2. Крепление участка пройденного по ММП.

3.4.3. Крепление участка пройденного в породах с положительной температурой

3.5. Выводы по главе.

ГЛАВА 4. ЭКОНОМИЧЕСКИЙ И СОЦИАЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ ОТ ВНЕДРЕНИЯ ОБОСНОВАННЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ.

4.1. Технико-экономические показатели.

4.2 Социальный эффект.

4.3. Выводы по главе.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Обоснование параметров технологии бурения шахтных стволов в условиях многолетнемерзлых пород"

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 эрлифтными 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 научнопрактической конференции Ростовского отделения МАНЭБ (Шахтинский институт ЮРГТУ, 2002г.); на научном симпозиуме «Неделя горняка» (МГГУ, 2004г.); на семинарах кафедры «Строительство подземных сооружений и шахт» (МГГУ 20032004г.).

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.

Заключение Диссертация по теме "Геотехнология(подземная, открытая и строительная)", Орешкин, Олег Анатольевич

4.3. Выводы по главе

1. При внедрении способ дает хороший социальный эффект, обусловленный низким травматизмом, относительно комфортными условиями труда, учитывая при этом технологичность способа, достойный уровень оплаты труда.

2. Ожидаемый экономический эффект от внедрения обоснованных параметров для рассмотренного способа составляет 13,55 млн.руб в ценах 2002 года.

3. Применение промывочной и использование на протяжении ММП поддерживающей жидкостей при бурении стволов и скважин большого диаметра штанговыми эрлифтными буровыми установками в условиях многолетнемерзлых пород повышает эффективность проходки выработки, так как позволяет отказаться от сооружения кондуктора и использовать одноколонную конструкцию крепи, что упрощает работы и ведет к сокращению сроков строительства ствола, которое, на примере ствола диаметром 4,7 метра и глубиной 450 метра, составляет около 2,5 месяцев.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ