Совершенствование конструкции и технологии крепления скважин большого диаметра

Сильченко, Юрий Александрович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Совершенствование конструкции и технологии крепления скважин большого диаметра
ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Совершенствование конструкции и технологии крепления скважин большого диаметра"

На правах рукописи

Сильченко Юрий Александрович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ КРЕПЛЕНИЯ СКВАЖИН БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА

Специальность 25.00.22. «Геотехнология (подземная, открытая и строительная)»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новочеркасск - 2003

Работа выполнена в Шахтинском институте (филиале) Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт) (ГОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ))

Научный руководитель: - доктор технических наук, профессор,

действительный член Горной Академии РФ Ягодкин Феликс Игнатьевич

Официальные оппоненты: — доктор технических наук, профессор

Матвеев Валентин Александрович

Защита состоится 28.11.03 г. в 11® часов на заседании диссертационного совета Д 212.304.07 при ГОУ ВПО «Южно-Российский государственный университет (Новочеркасский политехнический институт)» по адресу: 346430, Ростовская область, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132, ЮРГТУ (НПИ), (Главный корпус, ауд. 107).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ)

Автореферат разослан 27.10.03 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук Нечаенко Виктор Иванович

Ведущая организация: - ООО «Ростовгипрошахт»

доктор технических наук

Ю.И. Разоренов

2,00?- А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Бурение скважин большого диаметра представляет собой надежный и эффективный способ строительства вертикальных горных выработок практически в самых различных горно-геологических условиях.

Скважины большого диаметра в горнодобывающей промышленности и подземном строительстве используются как элементы вскрытия и подготовки шахтного поля, в качестве технических скважин для водоотлива, прокладки кабелей, спуска закладочных материалов, вентиляции транспортных тоннелей, захоронения токсичных и радиоактивных промышленных отходов и др. Кроме того, в некоторых случаях более целесообразно и экономично пробурить несколько скважин диаметром до 2,0 м, чем пройти один ствол большого диаметра.

Основным фактором, сдерживающим их широкое применение в условиях России, является высокая стоимость работ, которая соизмерима со специальными способами проходки стволов. Анализ структуры затрат стоимости, трудоемкости и продолжительности бурения скважин большого диаметра по традиционной технологии с креплением металлической крепью показал, что 30-40% их приходится на процессы, связанные с креплением. С увеличением глубины и диаметра скважин доля затрат на крепление значительно возрастает.

В настоящее время в России и других странах СНГ для крепления скважин большого диаметра применяют, в основном, металлические секционные крепи, отличающиеся высокой металлоемкостью и стоимостью. Выбор конструкции крепи производится без глубокого анализа горногеологических условий и технических требований к эксплуатации скважин.

Учитывая изложенное проблемы совершенствования конструкции и технологии крепления скважин большого диаметра являются актуальной научно-технической задачей.

На основании вышеизложенного представляется актуальной научно-обоснованная разработка технологии крепления скважин большого диаметра облегченными конструкциями крепей с учетом технических требований к строительству и эксплуатации скважин.

Цель работы заключается в повышение технико-экономической эффективности сооружения скважин большого диаметра путем совершенствования конструкции крепи и технологии ее возведения.

Идея работы состоит в совершенствовании конструкции и технологии крепления скважин, достигаемой применением облегченных конструкций крепей, возводимых с опережающей откачкой бурового раствора.

Основные задачи исследований:

1. Выполнение геомеханического обоснования конструкций облегченной крепи скважин большого диаметра и техно

2. Разработка методических основ проектирования и научно-обоснованных технологических схем крепления скважин большого диаметра облегченными крепями.

3. Выполнение технико-экономической оценки предложенной технологии и определение области ее эффективного применения.

Объект и методы исследования. Объектом исследований являются скважины большого диаметра. В работе использован комплексный метод исследований, включающий: системный анализ опыта сооружения скважин большого диаметра и обработку массива данных, полученных в результате исследований с привлечением методов статистического анализа; математическое моделирование на базе теории сплошных сред с целью геомеханического обоснования конструкций облегченной крепи скважин большого диаметра на базе анкеров и набрызг-бетона и технологии ее возведения; проектные разработки технологических схем крепления скважин большого диаметра облегченными крепями и технико-экономические расчеты предложенной технологии с определением области ее эффективного применения.

Научные положения, защищаемые в диссертации:

1. С увеличением удельного веса бурового раствора происходит увеличение величины суммарных смещений породного контура сечения скважины на незакрепленном участке после откачки бурового раствора и, как следствие, увеличение размеров зоны развития неупругих деформаций вокруг этого участка.

2. При достижении некоторого порогового значения глубины скважины происходит изменение знака действия «снимаемых» напряжений в при-контурном массиве в период бурения. На глубинах менее порогового значения наблюдается увеличение среднего напряжения, что оказывает упрочняющее действие, а при глубинах более пороговых значений возникает развитие зоны неупругих деформаций, размеры которой имеют линейную зависимость от диаметра скважины.

3. С увеличением скорости выполнения технологических процессов (бурения, откачки и крепления) наблюдается уменьшение суммарных смещений породного контура сечения скважины. Величина участка скважины между возводимой крепью и уровнем откачиваемой жидкости незначительно влияет на суммарные смещения; увеличение смещений наблюдается лишь в породах с большим временем релаксации для скважин с конечной глубиной бурения до 300 м.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

— использованием классических методов механики сплошных сред, теории математической статистики, удовлетворительной сходимостью результатов расчетных и фактических данных;

- положительными результатами внедрения основных положений диссертационной работы при строительстве двух водоотливных скважин на

ОАО «Шахта «Бургустинская» и смотрового колодца К-7А канализационного коллектора №68 в г. Ростов-на-Дону.

Научная новизна работы заключается в установлении зависимости напряженно-деформированного состояния вмещающего скважину породного массива в процессе бурения и крепления от плотности бурового раствора, времени выполнения отдельных технологических операций, величины отставания постоянной крепи от уровня откачиваемого бурового раствора и физико-механических свойств вмещающих пород;

Практическое значение работы заключается в:

1. Разработке методики определения размеров области неупругих деформаций на незакрепленном участке скважины между уровнем бурового раствора и ранее возведенной постоянной крепью.

2. Разработке методики определения параметров конструкции постоянной комбинированной набрызг-бетонной крепи скважины.

3. Разработке технико-экономически обоснованных технологических схем крепления скважин большого диаметра комбинированной набрызг-бетонной крепью в сочетании с железобетонными анкерами и металлической сеткой, возводимой с опережающей откачкой бурового раствора.

4. Установлении области применения предложенной технологии крепления скважин большого диаметра комбинированной набрызг-бетонной крепью в сочетании с железобетонными анкерами и металлической сеткой с опережающей откачкой бурового раствора.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Опытно-промышленная проверка положений диссертации проводилась при строительстве двух водоотливных скважин на ОАО «Шахта «Бургустинская» и смотрового колодца К-7А канализационного коллектора №68 в г. Ростов-на-Дону.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на двух научно-производственных конференциях Южно-Российского государственного технического университета (г. Шахты, 2002-03 гг.), научно-производственной конференции Академии строительства Украины (г. Донецк, 2002 г.), научных семинарах кафедры «Строительство подземных сооружений и шахт» Шахтинского института Южно-Российского государственного технического университета (г. Шахты, 2000-03 гг.) и технических советах ООО «НТЦ «Наука и Практика».

Публикации. Основные положения изложены в 4 научных работах. .

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 274 страницах, включает 45 рисунков и 39 таблиц, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 61 источника и 10 приложений.

Автор выражает признательность доктору технических наук, профессору Ягодкину Ф.И. и доктору технических наук, профессору Ткачеву В.А. за методическую помощь при выполнении работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Значительный вклад в исследование процессов бурения и крепления скважин большого диаметра внесен научно-исследовательскими, проектно-конструкторскими и учебными организациями: ВНИИБТ, ВНИИОМШС, ВНИИПРОМтехнология, ИГД им. Скочинского, ЦНИИподземмаш, Донги-прооргшахтострой, Южгипрошахт, КУЗНИИшахтострой, МГИ, МГРИ, Тул-ПИ, Уралмашзавод, Шахтоспецстрой, ГХК «Спецшахтобурение» и др. Ими созданы отечественные комплексы бурового оборудования, технологические схемы ведения работ, методические основы расчета крепи, необходимый комплекс нормативной документации.

В истоках современной школы бурения скважин большого диаметра лежат работы видных отечественных инженеров и ученых: Маньковско-гоГ.И., ФедюкинаВ.А., Купчинского И.Л., Качан В.Г., БулахГЛ., Жилен-коН.П., Литинского Ю.В., Агаркова А.К., Астрахани А.П., Ерофеева Л.М., Малиованова Д.И.; авторов: Брюммер К.Х., Резнер Э., Лешхорн Ф., Хенне-кеЙ., Мюллер Г., ТоншайдтГ.В. Вопросам расчета и проектирования крепления скважин большого диаметра посвящены работы Булычева Н.С., Фо-тиевой H.H., Савина И.И., Зюзина И.М., Коскова И.Г., Ягодкина Ф.И. и др.

Выполненные исследования и накопленный практический опыт позволили широко с высокой эффективностью внедрить сооружение скважин большого диаметра в горнодобывающей промышленности бывшего Советского Союза. Однако проблемы крепления скважин с учетом различных горно-геологических и гидрогеологических условий и технических требований остаются недостаточно исследованными, прослеживается длительный застой в динамике развития технико-экономических показателей крепления скважин большого диаметра, не наблюдается развитие и совершенствование технологических схем ведения работ и конструкций крепи, не происходит модернизация и смена поколений оборудования.

Выполненный системный анализа современного состояния и основных тенденций развития сооружения скважин большого диаметра показывает, что 30-40% затрат стоимости, трудоемкости и рабочего времени на сооружение скважин большого диаметра приходится на процессы, связанные с креплением. С увеличением глубины и диаметра скважин доля затрат на крепление значительно возрастает. Отсюда можно сделать вывод, что совершенствование конструкции и технологии крепления следует рассматривать одним из основных направлений повышения техника-экономической эффективности сооружения скважин большого диаметра.

Исходя из вышеизложенного, целью работы является повышение технико-экономической эффективности сооружения скважин большого диаметра путем совершенствования конструкции крепи и технологии ее возведения с учетом горно-геологических условий и технических требований, предъявляемых к скважинам.

Поставленная цель определила следующие задачи исследования:

1. Выполнить геомеханическое обоснование конструкций облегченной крепи скважин большого диаметра на базе анкеров и набрызг-бетона и технологии ее возведения. Разработать методические основы проектирования и научно обоснованные технологические схемы крепления скважин большого диаметра облегченными крепями.

2. Выполнить технико-экономическую оценку предложенной технологии и определить область ее эффективного применения.

Намеченный комплекс исследований выполняется применительно к горно-геологическим условиям Российского Донбасса. Технические требования и граничные условия к исследуемой технологии приведены в табл. 1.

Таблиц«1

Технические требования, граничные условия к исследуемой технологии

№ Наименование Технические требования, граничные условия

1 Назначение скважины Вскрывающие, вентиляционные и технические скважины для угольной промышленности

2 Диаметр скважины в бурении До 6,0 м

3 Глубина скважины До 1000,0 м

4 Конструкция крепи Анкерная крепь, набрызг-бетон в сочетании с анкерами и металлической сеткой

5 Технология ведения работ:

- бурение Штанговое с прямой и обратной промывкой (буровые установки 1,-35 и Ь-4 и агрегаты РТБ)

- крепление Вслед за откачкой бурового раствора и после откачки бурового раствора на полную глубину скважины

6 Водоподавление Предварительный тампонаж с поверхности. Остаточный приток не более 5 м3/ч.

7 Влияние горных работ Скважина не подвержена влиянию горных работ

В соответствии с поставленными задачами выполнено исследование напряженно-деформированного состояния массива горных пород вокруг скважины большого диаметра для двух вариантов ее крепления:

1. Крепление скважины производится набрызг-бетонной крепью в сочетании с железобетонными анкерами и металлической сеткой, возводимыми вслед за откачкой бурового раствора с отставанием Ь, определяемым условиями размещения технологического оборудования для крепления скважины (см. рис. 1, а);

2. Крепление скважины производится набрызг-бетонной крепью в сочетании с железобетонными анкерами и металлической сеткой, возводимыми после откачки бурового раствора на проектную глубину скважины Ь ~ И (см. рис. 1, б).

Конечная цель произведенных исследований состоит в определении напряженно-деформированного состояния породного массива и соответствующих ему технологических параметров крепления, обеспечивающих

Рис. 1. Технологическая схема крепления скважины:

а) - вслед за откачкой бурового раствора с отставанием £; б) - после откачки бурового раствора (Ь = Н)

устойчивость незакрепленного участка скважины, что потребовало решение геомеханической задачи, включающей: определение напряженного состояния приконтурного породного массива, формулирование условия прочности окружающих горных пород, установление условий возникновения и закономерностей развития области неупругих деформаций в приконтурном массиве в зависимости от технологических параметров и физико-механических характеристик горных пород.

Поставленная задача решается в следующей последовательности:

1. Определение давления пород на крепь, рассматриваемое при решении задачи взаимодействия крепи скважины с массивом горных пород.

2. Определение абсолютного размера области неупругих деформаций в массиве горных пород вокруг скважины.

3. Исследование влияния параметров технологической схемы бурения и крепления скважины на развитие давления пород на крепь и абсолютного размера области неупругих деформаций вокруг скважины.

Анализ горно-геологических данных по 28 стволам показывает, что породы Российского Донбасса следует отнести к первому типу по характеру длительного деформирования согласно классификации Ю.М. Либермана. В качестве реологического уравнения состояния пород в рамках теории упруго-вязко-пластической среды может быть принята теория наследственной ползучести, позволяющая описывать деформирование горных пород во времени с учетом истории нагружения, т.е. последовательности и продолжительности технологических операций строительства скважин.

При вводе крепи в контакт с породными стенками в начальный момент времени крепь не испытывает нагрузок со стороны пород. В дальнейшем развивается давление на крепь вследствие ползучести пород. Определение давления пород на крепь рассматривается при решении плоской задачи

взаимодействия крепи скважины с массивом при принятии массива пород линейной наследственной средой.

Принимая во внимание, что деформации ползучести пород вызываются только «снимаемыми» напряжениями, обусловленными сооружением выработки, пользуясь принципами суперпозиции и наследственности, справедливыми для линейной наследственной среды, составим уравнение для смещений поверхности контакта между крепью скважины и массивом пород

м^:=м1+м2+мз+и4-"5-иб> (!)

где и,<р — смещения внешнего контура сечения крепи, м; щ — смещения породных обнажений скважины, вызванные изменением напряжений при бурении скважины, м; «2 - то же, вызванные снимаемыми напряжениями при замене бурового раствора на воду, м; щ - то же, вызванные снимаемыми напряжениями при откачке скважины, м; и4 - то же, вызванные отставанием возведения крепи скважины (величина смещений породных обнажений незакрепленного участка скважины), м; щ - то же, вызванные отпором анкерной крепи, м; м6 - то же, вызванные отпором набрызг-бетонной крепи, м.

Подставляя в выражение (1) уравнения, описывающие приведенные смещения и полученные с учетом Абелевого ядра ползучести, и решая его относительно давления пород на крепь Р^, МПа, получим

р _ 2'Ga_2'Gi2_2-G<3_2 G,4

A<? | * '

2-GKp+2-Gl4-P

где X - коэффициент бокового давления в массиве пород; у - удельный вес вмещающих пород, кН/м3; h - глубина рассматриваемого участка скважины, м; cj(/i) - устанавливаемое напряжение в породном массиве в результате изменения напряжений при бурении скважины, МПа; а(/2) - устанавливаемое напряжение в породном массиве в результате снятия напряжений при замене бурового раствора на техническую воду, МПа; о(/з) - устанавливаемое напряжение в породном массиве в результате снятия напряжений при откачке скважины, МПа; о(/4) - устанавливаемое напряжение в породном массиве в результате снятия напряжений на незакрепленном участке скважины, МПа; G,ь Ga, Ga, G,4 - временные функции модуля сдвига породы, МПа; А^ - параметр, характеризующий крепь скважины; (^-модуль сдвига материала крепи (набрызг-бетона), МПа; Р - отношение модуля деформации слоя пород, укрепленного анкерами, к модулю деформации пород Е.

Уравнение (2) для набрызг-бетонной крепи можно записать в виде

Р =_Ч_ (3)

кр / . .1 \ I/ / . . -, W '

0,75

Еv

R-б'

* ' 1

2G,4P

где Л - радиус скважины в бурении, м; 8' - предварительно задаваемая толщина набрызг-бетонной крепи, м; Екр - модуль упругости материала крепи (набрызг-бетона), МПа; и - суммарные смещения породных обнажений скважины единичного радиуса с момента ее бурения до момента ее крепления, м,

ц а.-у-/»-о(0 | а(0-а(<2) | о(/2)-о(/з) , д(0-д(<4)_ (4)

2-йц 2 0,2 2 -6,3 2-6,, Анализируя результаты, полученные по формуле (4), можно заметить, что до определенной глубины скважины происходит увеличение величины суммарных смещений незакрепленного породного контура сечения скважины после откачки бурового раствора и с увеличением удельного веса бурового раствора, причем для каждого типа горных пород эта глубина имеет свое значение. При глубинах, больших указанных выше, максимальная величина суммарных смещений породных обнажений скважины и, мм, наблюдается при минимальных значениях удельного веса бурового раствора (ур - 10,0 кН/м3 - техническая вода).

Данную зависимость можно объяснить следующим: при бурении скважины происходит изменение радиальных напряжений на поверхности скважины и установление нового напряженно-деформированного состояния. Действовавшие в ненарушенном массиве напряжения о, = Х-у-И, МПа, замещаются напряжениями а(/,) = УР • И + ■ Н-у р •/))■ ехр(-/,//0), МПа, из которых вытекает, что при коэффициенте бокового давления в массиве пород X больше значений, определяемых выражением Х = ур/у, в результате релаксации будет происходить снятие напряжений вокруг скважины на величину Аа = Х-у-к-ур-И, МПа, а при значениях коэффициента бокового давления в массиве пород X меньше вышеприведенных значений - увеличение напряжений на величину Аа = ур-И-Х-уИ, МПа. Расчетная глубина перехода от увеличения напряжений при бурении скважины (глубиной до 1000 м) к их снятию для различных пород в условиях Российского Донбасса приведена в табл. 2 (пример на рис. 2).

Таблица 2

Расчетная глубина перехода от увеличения напряжений при бурении скважины к их снятию

Л отологический состав пород Удельный вес бурового раствора ъ, кН/м3

10,00 11,00 12,00 13,00 14,00

1 2 3 4 5 6

Сланец глинистый 400 450 500 550 600

Сланец песчано-гл инистый 650 750 800 850 900

Сланец песчанистый 900 1000 свыше 1000 свыше 1000 свыше 1000

Сланец песчаный 950 свыше 1000 свыше 1000 свыше 1000 свыше 1000

Песчаник свыше 1000 свыше 1000 свыше 1000 свыше 1000 свыше 1000

0,05 4-■—-i-1-1—- -г- i .---i

0 200 400 600 800 1000 Глубина скважины, м

Рис. 2. Расчетная глубина скважины для глинистых сланцев, при которой происходит изменение знака действия снимаемых напряжений:

1 и 2 — коэффициент Х = ур/у при А,» =10,0 кН/м3 и 13,4 кН/м3; 3 - коэффициент

X, определенный по приложению к СНиП П-94-80; 4 - среднее значение коэффициента X для условий Российского Донбасса

Величину суммарных смещений породных обнажений протяженного участка скважины единичного радиуса и, м, для пород Российского Донбасса приближенно можно определить по следующей формуле

и = кгкг-к3-кА-{л-Н2+В-Н + с)-Е- — ,

. Н

где к\ - коэффициент, учитывающий изменение времени релаксации горных пород; к2 - коэффициент, учитывающий изменение коэффициента Пуассона горных пород; къ - коэффициент, учитывающий скорость выполнения технологических операций; к*- коэффициент, учитывающий величину отставания возведения крепи; А, В, С — расчетные параметры, учитывающие характеристику вмещающих пород и проектную глубину скважины Я.

Определение толщины крепи производится следующим образом. Вначале необходимо задаться возможной толщиной крепи 5', м, и, пользуясь выражением (3), определить величину давления пород на крепь Ркр, МПа, а затем следует определить толщину крепи, сопоставить ее с предполагаемой и при необходимости повторить вычисления. Толщину набрызг^бетонной крепи рекомендуется определять по формуле ВНИМИ, записываемой в виде

I--\

тб\ ■ т„ ■ т67 ■ Ясж j

т6\ ' тбЗ • тб1 Ксж~2' Ркр j

где ту - коэффициент условий работы крепи; Rc„ - радиус скважины в свету, м; т6\ - коэффициент, учитывающий длительность действия нагрузки; тб) -коэффициент, учитывающий условия набора бетоном прочности; т,-л - коэффициент, учитывающий температурный фактор; Ясж - расчетное сопротивле-

b = myRce-

ние материала крепи (набрызг-бетона) одноосному сжатию, МПа.

Определение напряженного состояния приконтурного массива пород для незакрепленного участка скважины рассматривается при решении объемной осесимметричной задачи в упругой постановке в дополнительных напряжениях. Численные расчеты напряжений в массиве выполняются с использованием метода граничных интегральных уравнений при равнокомпо-нентном начальном напряженном состоянии массива, что идет в запас прочности (устойчивости) скважины.

Расчетный фрагмент участка скважины и породного массива с указанием его геометрии приложенных силовых факторов по принятой схеме дополнительных напряжений показан на рис. 3, где й| и - глубина соответственно верхнего и нижнего расчетного поперечного сечения скважины от поверхности, м; Ър — глубина расчетного сечения скважины от поверхности бурового раствора, м.

В результате решения задачи для заданных точек поверхности ствола и приконтурного массива определялись компоненты тензора напряжений ах, о2, %Ху, V, ориентация которых в принятой системе координат показана на рис. 3. Напряжения по октаэдрическим площадка^, используемые при определении границ области неупругих деформаций вокруг скважины, определяются по формулам

' ОКМ

-оуУ +{оу -о,)2 -о,)2 +6-х% +6

Условия возникновения и границы зоны неупругих деформаций вокруг скважины определяются методом упругого наложения, как наиболее удобным при численных расчетах. Сущность метода заключается в том, что напряжения, определяемые из решения для упругой модели массива, ослабленного выработкой, сопоставляются с условием прочности пород, определяемым некоторым уравнением. Области породного массива, в пределах которого условия прочности не выполняются, считаются разрушенными, то есть являются областями неупругих деформаций. Хотя этот метод и является приближенным, так как не учитывает изменения напряженного состояния за пределами области неупругих деформаций, он обеспечивает удовлетворительную для инженерных расчетов точность, особенно при сравнительно небольших размерах области неупругих деформаций.

В качестве условия прочности окружающего породного массива принято уравнение параболического типа, являющееся обобщением условия прочности Мора и учитывающее влияние среднего напряжения на прочность т 1кт=А'-В'-о0кт. ^ ^ (5)

Для определения входящих в уравнение постоянных А' и В' используются испытания на одноосное сжатие асж, так как они являются наиболее доступным в техническом отношении прямым методом определения прочностных свойств горных пород.

Подставляя полученные выражения для коэффициентов А' и В' в уравнение (5), записываем условие прочности окружающих горных пород 2 2 1-3-%ф 2 8 оюи 9 1 + &<р 3 1 + о™"

Таким образом, если имеющиеся для некоторой точки массива значения напряжений %окт и Оокт в единицах "{ И подставить в условие (6) то, решая уравнение, получим для данной точки массива значение параметра X, при котором точка переходит в область неупругих деформаций. Для этого выразим компоненты главных напряжений через напряжения в полярной системе координат для случая плоской деформации и осевой симметрии. Подставляя полученные формулы в уравнение (6), с учетом влияния нарушенное™ массива и снижения прочности пород при длительном воздействии напряжений, запишем уравнение (6) в виде (где Нр - уровень бурового раствора в период бурения для рассматриваемого сечения скважины, м; цпойп -давление, оказываемое на породное обнажение из скважины, МПа; Х- относительная координата точки приконтурного массива по оси х, м; кдл - коэффициент длительной прочности; кс - коэффициент структурного ослабления)

(у Н-ур ■ Н У +3-(у ■ Н -ЯпоапУ •(

1 + - 1+ч<р

решением которого относительно абсолютного размера области неупругих деформаций в радиальном направлении АЯ, м, для скважины, заполненной буровым раствором, будет ________

3-У,-(я,-Л)

дя = /г-

-> + 2.у .Я.)-(у-Л-у.-Я_)2|'

(7)

где 1гр - уровень бурового раствора в период откачки (крепления) скважины для рассматриваемого сечения скважины, м.

По выражению (7) построены номограммы для нахождения размеров зоны неупругих деформаций для среднего значения угла внутреннего трения для пород Российского Донбасса - 20° (см. рис. 4).

Диаметр скважины £>, м 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0

Расчетная прочность пород Орет, МПа 10

Рис. 4. Пример номограммы определения зоны неупругих деформаций вокруг незакрепленного участка скважины, заполненного буровым раствором:

удельный вес бурового раствора ур = 10,0 кН/м3

Анализируя результаты, полученные по формуле (7), можно заметить, что при прочих равных параметрах с ростом удельного веса бурового раствора ур, кН/м3, наблюдается увеличение до 30% размеров зоны неупругих деформаций вокруг незакрепленной скважины по сравнению с размерами зоны неупругих деформаций вокруг незакрепленной скважины, пробуренной на воде. Полученные выводы подтверждают полученные ранее результаты, вытекающие из выражения (4).

Радиальные размеры области неупругих деформаций АД можно рассматривать как размеры области возможного разрушения и вывалообразова-ния, которую необходимо «прошить» анкерами при возведении комбинированной набрызг-бетонной крепи, закрепив концы анкеров в неразрушенной части приконтурного массива, т.е. за пределами области неупругих деформаций (работа анкерной крепи осуществляется в соответствии с гипотезой подвешивания пород).

На основании выполненных исследований разработаны блок-схема и алгоритм (см. табл. 3) определения основных параметров технологии крепления скважин большого диаметра с опережающей откачкой бурового раствора и конструкции крепи, предложены научно-обоснованные технологические схемы ведения работ, предусматривающие крепление скважин большого диаметра комбинированной набрызг-бетонной крепью в комбинации с железобетонными анкерами в сочетании с металлической сеткой с опережающей откачкой бурового раствора из скважины.

Таблица 3

Методика расчета параметров комбинированной набрызг-бетонной крепи в сочетании с железобетонными анкерами и металлической сеткой скважин большого диаметра, возводимой с опережающей откачкой бурового раствора

№ Параметр Формула Обозначение

1 2 3 4

1 Длина железобетонных анкеров, м и 0,5, м ДЛ - абсолютный размер области возможного разрушения окружающего породного массива, м; /, - величина заглубления анкера в устойчивую зону массива пород, м; /„ - длина выступающей части анкера, зависящая от толщины опорно-поддерживающих элементов, м.

2 Абсолютный размер области возможного вывал ообра-зования, м й - радиус скважины в бурении, м; ДЯ„ -абсолютный размер зоны возможного вывалообразования вокруг скважины единичного радиуса, м, принимаемый по графикам в зависимости от критерия устойчивости К.

1 2 3 А

3 Критерий устойчивости породных обнажений незакрепленной скважины к* у-удельный вес вмещающих пород, кН/м3; к - глубина рассматриваемого сечения, м; кдл - коэффициент длительной прочности; кс - коэффициент структурного ослабления; Окк - предел прочности породы при одноосном сжатии, МПа.

Р°

1. = тах Ра

• ¿ш, ■ Т1Ш • ту2

4 Величина заглубления анкера в устойчивую зону массива пород, м Ра - нагрузка на анкер от собственного веса подвешенных пород, кН; с1а - диаметр арматурного стержня, м, принимаемый в зависимости от диаметра ослабленного сечения стержня с1\, м; ¡г - шаг поперечных выступов на стержне анкера, м; ¡2 - ширина поперечных выступов на стержне анкера, м; /э - ширина продольных ребер на стержне анкера, м; Те - расчетное сопротивление бетона срезу, МПа, т, 1 - коэффициент условий работы замка анкера, принимаемый равным при сухом шпуре ту\ -- 0,8 и при влажном - т}\ = 0,60,7; Ашп - диаметр шпура, м; %т - удельное сопротивление срезу бетона относительно стенок шпура, МПа; /и, 2 - коэффициент условий работы замка анкера, принимаемый равным при сухом шпуре ту1 - 0,9, при влажном - туг - 0,75 и при капеже из шпура - тУг = 0,6.

Нагрузка на анкер Ра'' = -(2 + ДЛ„)-у

5 от собственного веса подвешенных пород, кН а - расстояние между анкерами в ряду, м; с - расстояние между рядами анкеров по глубине скважины, м.

1 2 3 4

6 Диаметр ослабленного сечения стержня, м А >2- -^- р-Лр-ту з Ир - расчетное сопротивление материала стержня растяжению, МПа; туг - коэффициент условий работы стержня анкера, принимаемый равным %з = 0,91,0.

7 Удельное сопротивление срезу бетона относительно стенок шпура, МПа • К х„ - расчетное сопротивление породы срезу, МПа.

8 Давление пород на крепь, МПа * _ "

" ( р V 0,75- - +1,25 , 1

Екр - модуль упругости материала крепи (на-брызг-бетона), МПа; и - суммарные смещения породных обнажений скважины единичного радиуса (К = 1,0 м) -с момента ее бурения до момента ее крепления, м; 5' - принимаемая толщина набрызг-бетонной крепи, м; й, - временная функция модуля сдвига породы, МПа; Р - отношение модуля упругости слоя пород, укрепленного анкерами, к модулю упругости пород Е.

9 Суммарные смещения породных обнажений скважины единичного радиуса, м и = кгкг-к3 кА (л-#2 + В-Я + с) Я-Д И

к\ - коэффициент, учитывающий изменение времени релаксации горных пород, принимаемый равным к] = 1,05; кг - коэффициент, учитывающий изменение коэффициента Пуассона горных пород, принимаемый равным Агг =1,1; къ — коэффициент, учитывающий скорость выполнения технологических операций,

1 2 3 4

¿4 - коэффициент, учитывающий величину отставания возведения крепи, принимаемый равным = 0,8 для случая крепления скважины вслед за откачкой бурового раствора при глубине скважины до 100 м, расположенной в сланцах глинистых слабых, и ¿4 = 1,0 - для остальных случаев; А, В, С-расчетные параметры; Е - модуль упругости породы, МПа; Я - проектная глубина скважины, м.

10 Временная функция модуля сдвига породы, МПа с - Е

' ( ( ми Л , , 8* Н-И А Ь . 1 ^бур ^отк ^кр V 4 '

8* - постоянная ползучести горной породы; \бур - техническая скорость бурения скважины, м/сут.; 1гюдг — продолжительность подготовительного периода по переходу от бурения скважины к ее откачке и креплению, сут.; ¡1ом - время, в течение которого происходит замена бурового раствора на техническую воду, сут.; у0тк - скорость откачки скважины, м/сут.; 1 - величина отставания возведения крепи от откачки промывочной жидкости, м; \кр - скорость крепления скважины, м/сут.; |1 - коэффициент Пуассона породы.

И Толщина набрызг-бетонной крепи,м ( 1- \ I тб1 ■ твЗ ■ твТ Ксж | V тП1 • тГЛ • Щ 7 • ~ 2 • Р,р V * / 8 ¿5'

ту - коэффициент условий работы крепи, принимаемый равным т}. = 1,25; тб| - коэффициент, учитывающий длительность действия нагрузки, принимаемый равным тб\ = 1,0; тез - коэффициент, учитывающий условия набора бетоном прочности, принимаемый равным тбз = 0,85; те7 - коэффициент, учитывающий температурный фактор, принимаемый равным те 7 = 0,85; Н.сж - расчетное сопротивление материала крепи (набрызг-бетона) одноосному сжатию, МПа.

В зависимости от последовательности и объемов выполняемых работ по возведению постоянной набрызг-бетонной крепи в комбинации с железобетонными анкерами в сочетании с металлической сеткой приведенные технологические схемы предусматривают выполнение работ по двум подвари-антам возведения крепи: выполнение цикла по креплению за одну заходку и за две заходки. Оба возможных варианта выполнения работ по креплению в зависимости от горно-геологических условий предусматривают возведение постоянной набрызг-бетонной крепи в комбинации с железобетонными анкерами в сочетании с металлической сеткой как с предварительной откачкой бурового раствора на проектную глубину скважины, так и вслед за откачкой бурового раствора из скважины.

Выполненными исследованиями установлено, что применение пред-„ ложенной технологии крепления скважин большого диаметра комбиниро-

ванной набрызг-бетонной крепью в сочетании с железобетонными анкерами и металлической сеткой, возводимой с опережающей откачкой бурового раствора, в условиях Российского Донбасса с граничными условиями, оговоренными в табл. 1, по экономическим показателям предпочтительнее крепления скважины по традиционной технологии (металлической крепью).

Рекомендуемые условия применения предложенной технологии могут быть ограничены: в зависимости от геологического строения, вещественного состава и физико-механических свойств пород - горно-геологическими условиями, относящимися к I и П типу; в зависимости от реологических свойств -горными породами, относящимися к I, П и Ш классу ползучести; в зависимости от категории устойчивости породных обнажений - горными породами, относящимися к I и II категориям устойчивости.

Применение разработанных технологических схем крепления скважин большого диаметра комбинированной набрызг-бетонной крепью с опережающей откачкой бурового раствора, по сравнению с креплением металлической крепью по традиционной технологии позволяет:

1. Снизить трудоемкость выполнения работ на 67-95%. С увеличением глубины скважины снижение трудоемкости выполнения работ по предложенной технологии по сравнению с трудоемкостью по традиционной технологии возрастает.

'> 2. Снизить продолжительность выполнения работ на 8-83%. С увели-

чением диаметра в бурении и глубины скважины снижение продолжительности крепления по предложенной технологии по сравнению с продолжительностью по традиционной технологии уменьшается.

3. Снизить расчетную сметную стоимость крепления на 35-91%. Технико-экономическая эффективность предложенной технологии возрастает с увеличением диаметра скважины в бурении и наличия и сложности армировки в скважине и уменьшается с увеличением глубины скважины.

Расчетное снижение в % основных параметров крепления скважин для средних условий Российского Донбасса приведено на графиках на рис. 5.

О 200 400 600 800 1000 Глубина скважины, м

200 400 600

Глубина скважины, м

1000

200 400 600 800 Глубина скважины, м

1000

Рис. 5. Снижение основных показателей крепления 1,0 м скважины в % при креплении комбинированной набрызг-бетонной крепью по сравнению с креплением металлической крепью для средних условий Российского Донбасса:

горная порода - глинистый сланец

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой на основании теоретических исследований дано решение актуальной задачи обоснования разработки технологии крепления скважин большого диаметра комбинированной набрызг-бетонной крепью в сочетании с железобетонными анкерами и металлической сеткой, возводимой с опережающей откачкой бурового раствора, с учетом технических требований к строительству и эксплуатации скважин.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Выполнен системный анализ современного состояния и основных тенденций развития сооружения скважин большого диаметра, которым установлено, что одним из основных направлений повышения технико-экономической эффективности сооружения скважин большого диаметра следует рассматривать совершенствование конструкции и технологии возведения крепи скважин.

2. Выполнено исследование напряженно-деформированного состояния вмещающего скважину породного массива и крепи при креплении комбинированной набрызг-бетонной крепью в сочетании с железобетонными анкерами и металлической сеткой, возводимой с опережающей откачкой бурового раствора, в результате которого:

2.1. Установлена зависимость напряженно-деформированного состояния вмещающего скважину породного массива в процессе бурения и крепления от плотности бурового раствора, продолжительности выполнения отдельных технологических операций, величины отставания постоянной крепи от уровня откачиваемого бурового раствора, физико-механических свойств вмещающих пород;

2.2. Разработана методика определения размеров области неупругих деформаций на незакрепленном участке скважины между уровнем бурового раствора и ранее возведенной постоянной крепью;

2.3. Разработана методика, блок-схема и алгоритм выбора основных параметров технологии крепления облегченными крепями скважин большого диаметра с опережающей откачкой бурового раствора и конструктивных решений крепи;

2.4. Получены следующие научные положения:

- с увеличением удельного веса бурового раствора происходит увеличение величины суммарных смещений породного контура сечения скважины на незакрепленном участке после откачки бурового раствора и, как следствие, увеличение размеров зоны развития неупругих деформаций вокруг этого участка;

- при достижении некоторого порогового значения глубины скважины происходит изменение знака действия «снимаемых» напряжений в при-

контурном массиве в период бурения. На глубинах менее порогового значения наблюдается увеличение среднего напряжения, что оказывает упрочняющее действие, а при глубинах более пороговых значений возникает развитие зоны неупругих деформаций, размеры которой имеют линейную зависимость от диаметра скважины;

- с увеличением скорости выполнения технологических процессов (бурения, откачки и крепления) наблюдается уменьшение суммарных смещений породного контура сечения скважины. Величина участка скважины между возводимой крепью и уровнем откачиваемой жидкости незначительно влияет на суммарные смещения; увеличение смещений наблюдается лишь в породах с большим временем релаксации для скважин с проектной глубиной до 300 м.

3. Разработаны технико-экономически обоснованные технологические схемы крепления скважин большого диаметра комбинированной набрызг-бетонной крепью в сочетании с железобетонными анкерами и металлической сеткой, возводимой с опережающей откачкой бурового раствора, и выполнена технико-экономическая оценка разработанной технологии. Установлено, что предложенная технология по сравнению с традиционной технологией крепления металлической секционной крепью позволит сократить стоимость крепления на 35-91%, трудоемкость - на 67-95%, продолжительность - на 8-83%.

4. Определена область применения разработанной технологии. Рекомендуемые условия применения предложенной технологии могут быть ограничены: в зависимости от геологического строения, вещественного состава и физико-механических свойств пород - горно-геологическими условиями, относящимися к I и П типу; в зависимости от реологических свойств — горными породами, относящимися к I, П и III классу ползучести; в зависимости от категории устойчивости породных обнажений - горными породами, относящимися к I и П категориям устойчивости.

Опытно-промышленная проверка основных положений диссертации, проводилась при строительстве двух водоотливных скважин на ОАО «Шахта «Бургустинская» и смотрового колодца К-7А канализационного коллектора №68 в г. Ростов-на-Дону.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Монографии:

1. Сильченко Ю.А. Совершенствование конструкции крепи скважин большого диаметра и технологии ее возведения. Новочеркасск: УПЦ «На-бла» ЮРГТУ (НПИ), 2003. - 74 с.

Научные статьи:

2. Особенности технологии бурения и крепления скважин большого диаметра при строительстве объектов городского подземного хозяйства и хранилищ токсичных промышленных отходов // Технология и проектирование подземного строительства: Вестник. - Донецк: Норд-пресс,

2002. - Вып. 2. - С. 164-165. (Соавторы Ягодкин Ф.И. и др.). Новый математический метод определения прочностных характеристик горных пород // Научно-технические проблемы шахтного строительства. Сб. науч. тр. / Шахтинский институт ЮРГТУ. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2000.-С. 70-73.

Анализ методик расчета параметров сталеполимерной анкерной крепи // Научно-технические проблемы шахтного строительства. Сб. науч. тр. / Шахтинский институт ЮРГТУ. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2000. - С. 149156. (Соавтор Привалов А.А.).

182 8? Р 18 2 8 ЗГ

Подписано в печать 24.10.2003. Формат 60x90 1/16. Бумага офсетная. Печать ризография. Усл. печ. л. 1,5. Уч.-изд. л. 1,48. Тираж 100 экз. Заказ 1686. Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт).

Типография ЮРГТУ (НПИ). 346430, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132.

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Сильченко, Юрий Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ И ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ СООРУЖЕНИЯ СКВАЖИН БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА. ЦЕЛЬ, ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Общие сведения.

1.2. Анализ опыта сооружения скважин большого диаметра в бывшем СССР и Российской Федерации.

1.3. Анализ структуры технико-экономических показателей сооружения скважин большого диаметра.

1.4. Анализ исследований в области сооружения скважин большого диаметра.

1.5. Выводы по главе 1. Цель, задачи и методы исследований

2. ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ВМЕЩАЮЩЕГО СКВАЖИНУ ПОРОДНОГО МАССИВА И КРЕПИ ПРИ КРЕПЛЕНИИ НАБРЫЗГ-БЕТОНОМ С ОПЕРЕЖАЮЩЕЙ ОТКАЧКОЙ БУРОВОГО РАСТВОРА.

2.1. Исследование напряженно-деформированного состояния вмещающего скважину породного массива и крепи.

2.2. Определение зоны неупругих деформаций пород на незакрепленном участке скважины между ранее возведенной крепью и уровнем откачиваемого бурового раствора

2.3. Блок-схема и алгоритм решения задачи

2.4. Выводы по главе 2.

3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ КРЕПЛЕНИЯ СКВАЖИН БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА НАБРЫЗГ-БЕТОННОЙ КРЕПЬЮ

С ОПЕРЕЖАЮЩЕЙ ОТКАЧКОЙ БУРОВОГО РАСТВОРА.

3.1. Выбор и обоснование основных параметров технологических схем.

3.2. Сравнительный анализ предложенной технологической схемы с традиционной схемой крепления металлической крепью.

3.3. Выводы по главе 3.

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ КРЕПЛЕНИЯ СКВАЖИН БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА НАБРЫЗГ-БЕТОННОЙ КРЕПЬЮ

С ОПЕРЕЖАЮЩЕЙ ОТКАЧКОЙ БУРОВОГО РАСТВОРА.

4.1. Экономическая оценка технологии крепления комбинированной набрызг-бетонной крепью с опережающей откачкой бурового раствора.

4.2. Область применения технологии крепления комбинированной набрызг-бетонной крепью с опережающей откачкой бурового раствора

4.3. Выводы по главе

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Совершенствование конструкции и технологии крепления скважин большого диаметра"

Бурение скважин большого диаметра представляет собой надежный и эффективный способ строительства вертикальных горных выработок практически в самых различных горно-геологических условиях.

Основным фактором, сдерживающим их широкое применение в условиях России является высокая стоимость работ, которая соизмерима со специальными способами проходки стволов.

Анализ структуры затрат стоимости, трудоемкости и продолжительности бурения скважин большого диаметра по традиционной технологии с креплением металлической крепью показал, что 30-40% их приходится на процессы, связанные с креплением. С увеличением глубины и диаметра скважин доля затрат на крепление значительно возрастает.

Решению этих задач посвящается настоящая работа.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом НИР по научному направлению кафедры «Строительство подземных сооружений и шахт» Шахтинского института Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасском политехнического института) П-53-801 «Разработать средства и способы крепления и охраны горных выработок и обеспечения безопасности труда на горных и строящихся предприятиях».

Цель работы заключается в повышении технико-экономической эффективности сооружения скважин большого диаметра путем совершенствования конструкции крепи и технологии ее возведения.

Идея работы состоит в повышении технико-экономической эффективности сооружения скважин большого диаметра, пройденных бурением, посредством совершенствования конструкции и технологии крепления, достигаемого применением комбинированной набрызг-бетонной крепи в сочетании с железобетонными анкерами, возводимой с опережающей откачкой бурового раствора.

Методы исследования. В работе использован комплексный метод исследований, включающий: системный анализ опыта сооружения скважин большого диаметра и обработку массива данных, полученных в результате исследований с привлечением методов статистического анализа; математическое моделирование на базе теории сплошных сред с целью геомеханического обоснования конструкций облегченной крепи скважин большого диаметра на базе анкеров и набрызг-бетона и технологии ее возведения; проектные разработки технологических схем крепления скважин большого диаметра облегченными крепями и технико-экономические расчеты предложенной технологии с определением области ее эффективного применения.

Для выполнения численных расчетов использованы современные ПК и программное обеспечение.

Научные положения, разработанные лично автором, защищаемые в диссертации:

1. с увеличением удельного веса бурового раствора происходит увеличение величины суммарных смещений породного контура сечения скважины на незакрепленном участке после откачки бурового раствора и, как следствие, увеличение размеров зоны развития неупругих деформаций вокруг этого участка;

2. при достижении некоторого порогового значения глубины скважины происходит изменение знака действия «снимаемых» напряжений в при-контурном массиве в период бурения. На глубинах менее порогового значения наблюдается увеличение среднего напряжения, что оказывает упрочняющее действие, а при глубинах более пороговых значений возникает развитие зоны неупругих деформаций, размеры которой имеют линейную зависимость от диаметра скважины;

3. с увеличением скорости выполнения технологических процессов (бурения, откачки и крепления), а также модуля упругости пересекаемых пород наблюдается уменьшение суммарных смещений породного контура сечения скважины. Величина участка скважины между возводимой крепью и уровнем откачиваемой жидкости незначительно влияет на суммарные смещения; увеличение смещений наблюдается лишь в породах с большим временем релаксации для скважин с конечной глубиной бурения до 300 м.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- использованием классических методов механики сплошных сред, теории математической статистики, удовлетворительной сходимостью результатов расчетных и фактических данных;

- положительными результатами внедрения основных положений диссер тационной работы при строительстве двух водоотливных скважин на ОАО «Шахта «Бургустинская» и смотрового колодца К-7А канализационного коллектора №68 в г. Ростов-на-Дону.

Практическое значение работы1 заключается в:

1. разработке методики определения размеров области неупругих деформаций на незакрепленном участке скважины между уровнем бурового раствора и ранее возведенной постоянной крепью и расчета параметров анкерной крепи;

2. разработке методики определения параметров конструкции постоянной набрызг-бетонной крепи скважины;

3. разработке технико-экономически обоснованных технологических схем крепления скважин большого диаметра комбинированной набрызг-бетонной крепью в сочетании с железобетонными анкерами и металлической сеткой, возводимой с опережающей откачкой бурового раствора;

4. установлейии области применения предложенной технологии крепления скважин большого диаметра комбинированной набрызг-бетонной крепью в сочетании с железобетонными анкерами и металлической сеткой с опережающей откачкой бурового раствора.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Опытно-промышленная проверка основных положений диссертации проводилась при строительстве двух водоотливных скважин на ОАО «Шахта «Бургустинская» и смотрового колодца К-7А канализационного коллектора №68 в г. Ростов-на-Дону.

Публикации. Основные положения изложены в 3 научных статьях.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 274 страницах, включает 45 рисунков и 39 таблиц, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 61 источника

Заключение Диссертация по теме "Геотехнология(подземная, открытая и строительная)", Сильченко, Юрий Александрович

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Монографии:

1. Сильченко Ю.А. Совершенствование конструкции крепи скважин большого диаметра и технологии ее возведения. Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2003. - 74 с.

Научные статьи:

2. Особенности технологии бурения и крепления скважин большого диаметра при строительстве объектов городского подземного хозяйства и хранилищ токсичных промышленных отходов // Технология и проектарование подземного строительства: Вестник. - Донецк: Норд-пресс, 2002.-Вып. 2.-С. 164-165. (Соавторы Ягодкин Ф.И. и др.).

3. Новый математический метод определения прочностных характеристик горных пород // Научно-технические проблемы шахтного строительства. Сб. науч. тр. / Шахтинский институт ЮРГТУ. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2000.-С. 70-73.

4. Анализ методик расчета параметров сталеполимерной анкерной крепи // Научно-технические проблемы шахтного строительства. Сб. науч. тр. / Шахтинский институт ЮРГТУ. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2000. - С. 149156. (Соавтор Привалов A.A.).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе решена актуальная научно-техническая проблема крепления скважин большого диаметра комбинированной набрызг-бетонной крепью с опережающей откачкой бурового раствора.

Основные научные и практические результаты заключаются в следующем:

1. Выполнен системный анализ современного состояния и основных тенденций развития сооружения скважин большого диаметра, которым установлено:

1.1. сооружение скважин большого диаметра находит все более широкое применение в отечественной и зарубежной практике шахтного и подземного строительства;

1.2. в зарубежной практике скважины большого диаметра крепятся различными конструкциями крепи в зависимости от горногеологических условий и технических требований, предъявляемых к скважине, на основании технико-экономического анализа. В России и странах СНГ для крепления скважин используют, в основном, металлические секционные крепи. Применение других видов крепи носит эпизодический характер;

1.3. анализ структуры затрат стоимости, трудоемкости и продолжительности сооружения скважин большого диаметра показал, что 30-40% их приходится на процессы, связанные с креплением. С увеличением диаметра и глубины скважин доля затрат на крепление значительно возрастает;

1.4. совершенствование конструкции и технологии крепления следует рассматривать одним из основных направлений повышения технико-экономической эффективности сооружения скважин большого диаметра.

2.1. установлена зависимость напряженно-деформированного состояния вмещающего скважину породного массива в процессе бурения и крепления от плотности бурового раствора, продолжительности выполнения отдельных технологических операций, величины отставания постоянной крепи от уровня откачиваемого бурового раствора, физико-механических свойств вмещающих пород;

2.4. получены следующие научные положения:

- при достижении некоторого порогового значения глубины скважины происходит изменение знака действия «снимаемых» напряжений в приконтурном массиве в период бурения. На глубинах менее порогового значения наблюдается увеличение среднего напряжения, что оказывает упрочняющее действие, а при глубинах более пороговых значений возникает развитие зоны неупругих деформаций, размеры которой имеют линейную зависимость от диаметра скважины;

3. Разработаны технико-экономически обоснованные технологические схемы крепления скважин большого диаметра комбинированной на-брызг-бетонной крепью в сочетании с железобетонными анкерами и металлической сеткой, возводимой с опережающей откачкой бурового раствора.

Установлено, что предложенная технология по сравнению с традиционной технологией крепления металлической секционной крепью позволит сократить стоимость крепления на 35-91%, трудоемкость - на 67-95%, продолжительность - на 8-83%).

4. Выполнена технико-экономическая оценка разработанной технологии и определена область ее применения.

Опытно-промышленная проверка основных положений диссертации проведена при строительстве двух водоотливных скважин на ОАО «Шахта «Бургустинская» и смотрового колодца К-7А канализационного коллектора №68 в г. Ростов-на-Дону.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Сильченко, Юрий Александрович, Новочеркасск

1. Жиленко Н.П., Краснощек A.A. Справочное пособие по реактивно-турбинному бурению. М.: Недра, 1987. - 309 с.

2. Machines for shaft sinking and raising // Mining Magazine. April 1983. -p. 283-295.

3. Richard Braithwaite. Exploration drilling // Supplement to Mining Journal, London. 6 February 1998.-p. 14-15.

4. Хеннеке Й., Вебер В. Технический уровень бурения шахтных стволов с поверхности и слепых стволов // Глюкауф. 1991, №21 /22. - С. 17-27.

5. Бурение стволов и скважин большого диаметра // Шахтное строительство. 1969, № 1. - С. 27-31.

6. Москвин Ю.К. Скважины большого диаметра вместо ствола // Шахтное строительство. 1969, №2 - С. 22-24.

7. Шахтный ствол «Примсмульде», проходимый способом бурения, достиг отметки 1 ООО м // Глюкауф. 2003, № 1. - С. 6.

8. Мюллер Г. Проходка шахтных стволов с помощью бесштанговых буровых установок // Шахтное строительство. 1990, №8 - С. 18-24.

9. Мюллер Г. Современное состояние и перспективы развития бурения шахтных стволов // Шахтное строительство. 1990, №8 - С. 2-4.

10. Маас К. Новая крепь стволов, пройденных бурением // Глюкауф. 1991, №1/2.-С. 14-21.

11. Мюллер Г., Камин Н. Проходка шахтных стволов способом нисходящего и восходящего бурения // Шахтное строительство. 1990, №7-С. 25-28.

12. Вайбецан К. Новые машины для бурения шахтных стволов // Глюкауф. -1991, №3/4.-С. 46-52.

13. Камин Н. Основные направления развития технологии бурения стволов в ФРГ // Шахтное строительство. 1990, №7 - С. 11-14.

14. Пиготт К.П. Управляемые буровые агрегаты // Глюкауф. 1991, №3/4. -С. 42-46.

15. Чжан Янчен. Бурение шахтных стволов по водоносным неустойчивымпородам на шахтах КНР // Глкжауф. 1985, №19. - С. 33-37.

16. Шмуккер Б. Проходка шахтных стволов способом бурения в Алабаме // Глюкауф. 1985, №19. - С. 29-33.

17. Тоншайдт Г.В. Уровень развития буровой проходки стволов с использованием бесштанговых стволопроходческих машин // Глюкауф. 1989, №13/14.-С. 19-26.

18. Кослар В. Опыт эксплуатации расширителя с дисковыми резцами для разбуривания передовых скважин // Глюкауф. 1989, №9/10. - С. 34-38.

19. Гросекемпер Г.Ю., Тоншайдт Г.В. Проходка слепых стволов и бункеров способом рейз-боринг // Глюкауф. 1986, №7. - С. 3-10. •

20. Фогте Х.П. Эрлифтные установки для бурения стволов // Шахтное строительство. 1990, №8 - С. 7-13.

21. Штайнберг 3. Устройство управления буром с лопастным затвором для направленного бурения глубоких скважин большого диаметра // Глюкауф. 1992, №9. - С. 35-40.

22. Астрахань А.З. 25 лет бурения стволов в объединении Спецшахтобурение // Шахтное строительство. 1990, №7 - С. 3-7.

23. Астрахань А.З., Леоненко Е.В. Проходка стволов бурением на угольных шахтах СССР // Глюкауф. 1991, № 1 /2. - С. 5-9.

24. Федюкин В.А., Корчак A.B. Совершенствовать и развивать бурение стволов //Шахтное строительство. 1985, №8. - С. 6-9.

25. Макаров A.A., Сапронов В.Т., Минаков B.JI., Банк A.C., Бласенков A.B. Опыт комбайновой проходки вертикальных стволов / Экспресс-информ. / ЦНИЭИуголь, ЦБНТИ Минуглепрома УССР. М., 1980. - 17 с.

26. Бурма И.И., Герасимчук Д.А., Григорьян Г.Г., Костенко С.Д. Проходка вертикального ствола комплексом СК-1Д // Шахтное строительство.1985, №6-С. 1-3.

27. Малиованов Д.И., Григорьян Г.Г., Власенков A.B., Новик Е.Б. Проходка ствола комбайном СК-1У на шахте имени Калинина // Шахтное строительство. 1983, №9 - С. 23-25.

28. Проспект ГХК «Спецшахтобурение».

29. Федюкин В.А. Проходка вертикальных горных выработок бурением. -М.: Недра, 1975.-255 с.

30. Агарков А.К. Развитие технологии крепления скважин большого диаметра в СССР // Шахтное строительство. 1990, №8 - С. 5-6.

31. Зюзин И.М., Посохов В.В., Солошенко В.И. Возведение монолитной бетонной крепи вертикальных горных выработок в среде бурового раствора // Шахтное строительство. 1989, №4 - С. 29-30.

32. Будник A.B., Ягодкин Ф.И., Левит В.В. Крепление и армирование стволов, пройденных бурением: Обзорная информация / ЦНИЭИуголь. -М., 1993.-32 с.

33. Справочник (кадастр) физических свойств горных пород / Под ред. Н.В. Мельникова, В.В. Ржевского, М.М. Протодьяконова. М.: «Недра», 1975.-279 с.

34. Ржевский В.В. Физико-технические параметры горных пород. М.: Изд-во «Наука», 1975. - 212 с.

35. Руппенейт К.В. Некоторые вопросы механики горных пород. М.: Углетехиздат, 1954. -133 с.

36. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений. Учебник для вузов. -М.: Недра, 1982.-270 с.

37. СНиП 2.03.01-84 (1989, с изм. 1988, 1989, 1992). Бетонные и железобетонные конструкции.

38. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механические процессы в породных массивах: Учебник для вузов. М.: Недра, 1986. - 272 с.

39. Руководство по проектированию подземных горных выработок и расчету крепи / ВНИМИ, ВНИИОМШС Минуглепрома СССР. М.: Стройиздат, 1983. - 272 с.

40. Баклашов И.В. Деформирование и разрушение породных массивов. -М.: Недра, 1988.-271 с.

41. РД 12.18.089-90. Инструкция по расчету и применению облегченных видов крепей с анкерами в вертикальных стволах. Харьков, 1990. -76 с.

42. Булычев Н.С., Галахов В.В. Давление пород на крепь ствола, пройденного бурением // Шахтное строительство. С. 18-20.

43. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механика подземных сооружений и конструкций крепей. Учеб. для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1992.-543 с.

44. СНиП П-94-80. Подземные горные выработки / Госстрой СССР М.: Стройиздат, 1982.-31 с.

45. Булычев Н.С., Абрамсон Х.И. Крепь вертикальных стволов шахт. М.: Недра, 1978.- 301 с.

46. Воронин B.C. Влияние инъекции цементно-песчаного раствора и качества материала на работу набрызг-бетонной крепи // Цветная металлургия. 1969, №7 - С. 12-13.

47. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механика подземных сооружений и конструкций крепей. Учеб. для вузов. 1-е изд. - М.: Недра, 1984.

48. Ионов В.Н., Огибалов П.М. Прочность пространственных элементов конструкции. М.: Высшая школа, 1972.

49. Булычев Н.С., Фотиева H.H., Стрельцов Е.В. Проектирование и расчет крепи капитальных выработок. М.: Недра, 1986. - 288 с.

50. Баклашов И.В., Тимофеев О.В. Конструкции и расчет крепей и обделок. -М.: Недра, 1979.-263 с.

51. ГОСТ 10884-94. Сталь арматурная термомеханически упрочненная для железобетонных конструкций. Технические условия.

52. ВСН 126-90. Крепление выработок набрызг-бетоном и анкерами при строительстве транспортных тоннелей и метрополитенов. Нормы проектирования и производства работ.

53. Воронин B.C. Набрызг-бетонная крепь. -М.: Недра, 1980. 199 с.

54. СНиП IV-5-82. Приложение. Сборники единичных районных расценок на строительные конструкции и работы. Сб. 35. Горнопроходческие работы. Кн. 1 и 2./ Госстрой СССР. М.: Стройиздат, 1983. - 594 с.

55. Борисовец В.А., Ревзюк Е.Б. Ускорить внедрение высокоэффективной набрызг-бетонной крепи в вертикальных стволах // Шахтное строительство. -1971, № 10 С. 9-13.

56. Вяльцев М.М. Опыт применения набрызг-бетонных крепей в вертикальных стволах шахт / Экспресс-информ. / ЦНИЭИуголь, ЦБНТИ Минуглепрома УССР.-М., 1983.-С. 1-13.

57. СНиП 4.02-91. Сборник сметных норм и расценок на строительные работы. Сб. 4. Скважины. / Госстрой СССР. М.: Стройиздат, 1991. -100 с.

Информация о работе

Сильченко, Юрий Александрович
кандидата технических наук
Новочеркасск, 2003
ВАК 25.00.22

Диссертация

Совершенствование конструкции и технологии крепления скважин большого диаметра - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы