Оборудование для тампонажа скважин и горных выработок путём приготовления растворов на основе цемента

4. В целях улучшения экономики производства и повышения устойчивости участка южного борта разреза, организовать в образованном выработанном пространстве внутренний отвал пустых пород объемом 4,5 млн м3.

5. Для обеспечения безопасных условий труда в период отработки южного участка борта работы по выемке угля разделить на два этапа:

- на первом этапе производства вскрыши и добычи угля оставлять временный предохранительный целик на горизонте +588 м шириной 30 м; генеральный угол борта в этом случае будет равен 25° при расчетном устойчивом 28°;

- на втором этапе добычных работ доработать временный предохранительный целик с одновремен-

ным формированием в выработанном пространстве внутреннего отвала пустых пород.

6. Для подтверждения запасов угля и уточнения его границ залегания произвести эксплуатационно-разведочное бурение с горизонта +610 м.

7. Для контроля за устойчивым состоянием южного борта отрабатываемого участка заложить маркшейдерскую наблюдательную станцию.

8. Все работы по вскрытию, добыче угля и формированию внутреннего породного отвала осуществлять в соответствии с разработанным графиком.

Общий экономический эффект от применения технологии открытых горных работ при отработке законтурных рудных тел на вышеуказанных месторождениях составил 113,1 тыс. руб. (в ценах 2010 г.).

Библиографический список

1. А.с. 1712605, СССР, Кл. Е 21 С 41/00. Способ открытой разработки сложных рудных тел / Э.Л. Галустьян [и др.]. № 4155049/63; заявл. 02.12.86; опубл. 15.02.92, Бюл. № 6. 4 с.

2. Волохов А.В. Способ прогнозирования устойчивости подрабатываемых откосов карьера // Проблемы освоения минеральной базы Восточной Сибири: сб. науч. тр. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2004. Вып. 4. С. 185-188.

3. Галустьян Э.Л. Геомеханика открытых горных работ: справ. пособие. М.: Недра, 1992. 272 с.

4. Единые правила безопасности при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом. Введ. 09.09.02. СПб.: ДЕАН, 2003. 176 с.

5. Шмонин И.Б., Волохов А.В. Оценка устойчивого состояния карьерных откосов при выемке запасов путем врезок за проектный контур борта карьера // Проблемы освоения минеральной базы Восточной Сибири: сб. науч. тр. Иркутск, 2005. Вып. 5. С. 115-118.

УДК 622.245.42.05

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТАМПОНАЖА СКВАЖИН И ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК ПУТЁМ ПРИГОТОВЛЕНИЯ РАСТВОРОВ НА ОСНОВЕ ЦЕМЕНТА

П.Я.Зельцер1

Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Применяемые для механизированного приготовления тампонажных растворов цементосмесительные машины (ЦСМ) типа СМН-20 различных модификаций совместно с насосами цементировочных агрегатов (ЦА) служат в основном для приготовления вяжущих смесей заданного состава. Это оборудование имеет ряд недостатков: зависание цементного порошка в бункерах ЦСМ и образование сводов, неодновременный выход на рабочий режим при использовании значительного числа единиц ЦСМ и ЦА, неравномерная подача жидкости затворения насосами ЦА в смесительные устройства ЦСМ. Анализ известных технических решений, изучение и научное обобщение тенденций развития отечественного и зарубежного машиностроения, связанного с цементировочным и другим близким по параметрам оборудованием, позволил реализовать более эффективные конструкции. Даётся научное обобщение тенденций развития и разработка малогабаритного оборудования для тампонажа скважин и горных выработок реализацией технологических схем приготовления тампонажных растворов путём пополнения порошкообразных материалов в процессе приготовления. Ил. 1. Табл. 1. Библиогр. 2 назв.

Ключевые слова: тампонаж скважин и выработок; цементосмесительные установки; цементировочные агрегаты; цементный порошок; технологические схемы приготовления растворов; вяжущие материалы; плотность тампонажного раствора; малогабаритное оборудование; частота вращения шнеков.

EQUIPMENT FOR PLUGGING WELLS AND MINE WORKINGS BY PREPARING THE GROUTS BASED ON CEMENT P.Ya. Zeltser

National Research Irkutsk State Technical University, 83 LermontovSt., Irkutsk, 664074.

Used for the mechanized preparation of grouting mortar cement mixing plants (CMP) of СМН-20 type of different modifications together with the pumps of cementing units (CU) mainly serve for the preparation of binding mixtures of speci-

1Зельцер Павел Яковлевич, доктор технических наук, профессор кафедры технологий геологической разведки, тел.: (3952) 539263.

Zeltser Pavel, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Prospecting Technologies, tel. (3952) 539263.

fied composition. This equipment has several disadvantages: chocking-up of cement powder in CMP bunkers and the formation of vaults, non-simultaneous achievement of the operating mode when using a considerable number of units of CMP and CU, irregular mixing fluid supply by CU pumps into CMP mixing devices. The analysis of the known technical solutions, study and scientific generalization of development trends in domestic and foreign mechanical engineering associated with cementing equipment and the other one close by parameters, enabled to implement more efficient designs. The article provides a scientific generalization of the progress trends and the development of a small-size equipment for wells and mine workings plugging by the implementation of the process flowsheets for grouting mortar preparation by the replenishment of powdered materials during the preparation. 1 figure. 1 table. 2 sources.

Key words: plugging of wells and mine workings; cement mixing plants; cementing units; cement powder; process flowsheets of grout preparation; bindings; grouting mortar density; small-size equipment; frequency of screw rotation.

В настоящее время в нашей стране более половины общего объёма добываемого угля и практически весь объём высококачественного угля приходятся на подземную добычу. Происходит углубление горных работ, легкодоступные месторождения отработаны, проводятся консервация и ликвидация нерентабельных шахт. Консервация и ликвидация угольных шахт идут, как правило, путём их затопления. Весьма перспективной является «сухая» консервация угольных шахт, когда осуществляются дренирование подземных вод в ствол и последующая их откачка в очистные сооружения на поверхности. Однако применение традиционной технологии дренирования и сбора воды приводит к значительным размерам депрессионной воронки и большим водопритокам, что, в свою очередь, требует создания подземных водосборников увеличенного размера и значительных затрат на водоотлив. Отсутствие регулирования дренирования подземных вод приводит к существенному увеличению притока воды во время паводка.

Для регулирования притока воды в вертикальную выработку вокруг ствола сооружают тампонажно-дренажную завесу и возводят водоупорные перемычки в сопряжениях с горизонтальными выработками. Это позволяет создавать подпор подземных вод и регулировать перепуск воды через дренажные и водоспускные скважины [1, 2].

В таких случаях, а также при креплении скважин необходимо приготавливать значительные объёмы тампонажных растворов. При этом качество тампонажа существенно зависит от постоянного выдерживания того соотношения компонентов тампонажных растворов в период их закачивания, которое выбрано при подготовке рецептуры вяжущего материала в лабораторных условиях.

Тампонаж скважин и горных выработок осуществляется с помощью цементировочных агрегатов и це-ментосмесительных машин. К цементировочному оборудованию также относятся блоки манифольдов, цементировочные головки, автоцементовозы.

Приготовление и закачивание тампонажных растворов в скважины и горные выработки осуществляют с помощью цементировочных агрегатов. С их помощью готовят жидкости затворения, проводят другие технологические операции, связанные с перекачкой жидкостей. Монтажной базой большинства цементировочных агрегатов служат шасси автомобиля, на платформе которого установлены цементировочный насос, водоподающий насос и мерная ёмкость. Це-

ментировочные агрегаты укомплектовывают разборным трубопроводом, запорной арматурой, приёмным чаном для тампонажных растворов.

Цементировочный насос предназначен для закачивания тампонажных растворов в скважины и горные выработки и последующего их продавливания. Применяют поршневые и плунжерные цементировочные насосы со сменными цилиндровыми втулками для ступенчатого изменения подачи. Привод насосов осуществляется либо от индивидуальной силовой установки, либо от ходового двигателя автомобиля через коробку отбора мощности. Водоподающий насос (плунжерный или центробежный) применяется для подачи жидкости затворения в смесительное устройство, где происходит её перемешивание с сухим цементом.

Для измерения объёма жидкостей, закачиваемых в скважины при различных операциях, имеется мерная ёмкость. Она также используется для приготовления небольших объёмов многокомпонентных жидкостей. Мерная ёмкость разделена на два отсека. Внутренняя обвязка агрегата позволяет заполнять один отсек при опорожнении другого.

Смесительные машины и агрегаты применяют для транспортирования цемента и других порошкообразных материалов, используемых для приготовления тампонажных растворов. Монтажной базой этих устройств могут быть шасси автомобилей, прицепов и полуприцепов, металлические сани. Смесительная машина состоит из бункера, внутри которого установлены два разгрузочных шнековых или пневматических транспортёра, смесительного устройства и загрузочного шнекового или пневматического транспортера. Цементосмесительные агрегаты оснащаются водопо-дающим блоком и обеспечивают приготовление там-понажного раствора без подключения цементировочного агрегата.

Большинство машин и агрегатов имеют гидровакуумное смесительное устройство. Оно состоит из камеры с диффузором, выкидной трубы, сопла и поворотного магазина с насадками различного диаметра. Путём поворота магазина устанавливается в рабочее положение требуемая насадка для приготовления того или иного раствора. Смесительное устройство присоединяется к торцу разгрузочной коробки, в которую шнеками подаётся цементный порошок. Одновременно в камеру смесительного устройства насосом закачивается вода.

При большой скорости движения воды в камере

создаётся разрежение, происходит подсасывание цементного порошка и смешение его с водой. Образующийся раствор по выкидной трубе стекает в приёмный чан, откуда непрерывно подаётся в скважины и горные выработки цементировочным насосом.

Блок манифольдов применяется для централизованной обвязки цементировочных агрегатов с устьем скважины (горной выработки). Он состоит из коллектора высокого давления для соединения цементировочных насосов с устьем скважины. Блоки манифольдов оборудуют грузоподъёмным устройством, которое используется при монтаже и демонтаже линий обвязки.

При проведении тампонажных работ применяется станция контроля процесса цементирования скважин (СКЦ), которая позволяет по данным автоматического измерения основных параметров режима закачивания жидкостей (давление, расход и плотность) проводить оперативное управление. К станции могут быть подключены до 14 цементировочных агрегатов, 6 цемен-тосмесительных машин и, в случае необходимости, буровые насосы. Все параметры поступают с блока манифольда от датчиков расхода, давления и плотности, здесь имеются мегафон и узлы связи, узлы контроля агрегатов и смесителей, состоящие из переносных телефонных коробок с сигнализацией вызова и бесконтактных датчиков.

Для измерения плотности тампонажного раствора использован радиоактивный плотномер, принцип действия которого основан на измерении степени поглощения у-излучения от радиоактивного источника (це-зия-137) раствором, проходящим по трубопроводу.

В противоположной стороне трубопровода находятся два счетчика ^-излучения, вращающиеся с одной частотой и облучающиеся дополнительным источником у-излучення. Результирующие сигналы, пропорциональные степени интенсивности облучения счетчиков обоими источниками, сравниваются в элементе сравнения, усиливаются и подаются на серводвигатель, сельсин-датчик и сельсин-приёмник, угол поворота ротора которого пропорционален плотности тампонажного раствора.

Давление измеряется манометром, состоящим из резинового разделителя, регулирующего дросселя, геликсной пружины, сельсин-датчика и сельсин-приемника. Манометр монтируют на линии блока манифольда при помощи быстроразъемного герметичного соединения. Предел измерения давления 40 МПа, погрешность ±2,5%.

Для измерения расхода тампонажного раствора используют индукционный расходомер, состоящий из датчика расхода с электродами, усилителя, устройства обратной овязи, элемента сравнения, серводвигателя, сельсин-датчика и сельсин-приёмника. В там-понажном растворе, проходящем через трубопровод из немагнитного материала, индуцируется э.д.с, которую после преобразования измеряют, поскольку она пропорциональна расходу. Диапазон измерения расхода 5-100 л/с, погрешность ±2,5%.

Контролируется и суммарный расход тампонажного раствора. Для этого использован счётчик, на ко-

торый непрерывно через присоединительное устройство и серводвигатель подаются сигналы от расходомера. Одновременный контроль расхода и объёма закачиваемой в скважину и выходящей из неё жидкости даёт возможность обнаружить поглощения и проявления в процессе цементирования, оценить влияние различных факторов на их интенсивность и эффективность мероприятий по обеспечению заданной высоты подъёма тампонажиого раствора в затрубном пространстве.

Расход выходящей из скважины жидкости регистрирует вторичный прибор типа ДС1-01. Для определения суммарного объёма жидкости в него встроены частотный преобразователь, преобразующий мгновенный расход в частоту, и частотный сумматор времени закачивания жидкостей.

Контроль расхода и объёма этой жидкости позволяет оперативно управлять режимом процесса цементирования и предупреждать возникающие осложнения. Установление высоты подъёма тампонажного раствора в затрубном пространстве с учётом потерь в скважине даёт возможность судить о степени замещения бурового раствора тампонажным.

Разработана блок-приставка к станции СКЦ для измерения объёма выходящего из скважины раствора, состоящая из выносного преобразователя с измерительной пропорциональной щелью, на котором закреплён рычажно-поплавковый уровнемер датчика уровня и регистрирующего прибора типа ДС1-01. Действие блок-приставки основано на зависимости объёмного расхода раствора от высоты его уровня при истечении через незатопленный водослив с тонкой стенкой.

Применяемые для механизированного приготовления тампонажных растворов цементосмесительные машины (ЦСМ) типа СМН-20 различных модификаций совместно с насосами цементировочных агрегатов (ЦА) служат в основном для приготовления вяжущих смесей заданного состава. Это оборудование имеет ряд недостатков: зависание цементного порошка в бункерах ЦСМ и образование сводов, неодновременный выход на рабочий режим при использовании значительного числа единиц ЦСМ и ЦА, неравномерная подача жидкости затворения насосами ЦА в смесительные устройства ЦСМ и др.

Анализ известных технических решений, изучение и научное обобщение тенденций развития отечественного и зарубежного машиностроения, связанного с цементировочным и другим близким по параметрам оборудованием, показали, что к рассматриваемой проблеме необходимы другие подходы, которые и были сформулированы и реализованы в разработанных конструкциях. Так, по одной из предложенных нами технологических схем приготовления тампонажных растворов порошкообразный материал следовало не загружать полностью в бункер смесителя до цементирования, а пополнять его при проведении процесса. Необходимо было изучить и изыскать возможность существенно снизить габаритные размеры и массу машин для возможности транспортировать её любыми видами транспорта, в том числе вертолёта-

ми, а также добиться лёгкого запуска в работу и более простого обслуживания. В течение длительного времени с целью решения указанной проблемы нами разрабатывались и совершенствовались различные виды цементировочного оборудования. Среди таких разработок несколько конструкций облегчённых це-ментосмесительных установок (типа ОЦУ), имеющих целый ряд отличий от серийной ЦСМ. Установки, как показали испытания, могут применяться и для приготовления буровых растворов из порошкообразных материалов, в частности глинистых и других.

Основными отличиями машин типа ОЦУ от СМН-20 являются:

- использование в качестве источников энергии распространенных трёхфазных электродвигателей переменного тока промышленной частоты взамен двигателей внутреннего сгорания;

- отсутствие загрузочного шнекового устройства;

- уменьшение во всё большей степени объёмов бункера, предназначенного для аккумулирования порошкообразного материала;

- наличие небольшого по размерам выносного пульта управления;

- существенное уменьшение габаритных размеров и массы.

Наибольшие изменения реализованы при создании установки ОЦУ-3 (рисунок).

Облегченная цементосмесительная установка типа ОЦУ-3:1 - редуктор; 2 - электродвигатель; 3 - вариатор; 4 - смесительная камера; 5 - рама; 6 - шнек; 7 - бункер

Реализация указанных технических характеристик позволила значительно облегчить запуск в работу и техническую эксплуатацию ОЦУ в любое время года, исключить необходимость в специальном обслуживающем персонале. С помощью одной установки или двух представляется возможным получить весь необходимый по объёму раствор независимо от количества материалов, используемых для проведения тампонажных работ. Это достигается благодаря тому, что

Технические характеристики цементосмесительных агрегатов

Показатель Тип цементосмесительного агрегата

Серийная машина СМН-20 ОЦУ-1 ОЦУ-2 ОЦУ-3

Производительность при приготовлении цементного раствора, кг/с 16,7 16,7 16,7 16,7

Плотность цементного раствора, кг/м3 1700-2100 1700-2100 1700-2100 1700-2100

Необходимый напор воды для смешивания, МПа 0,8-2,0 0,8-2,0 0,8-2,0 0,8-2,0

Смесительное устройство Вакуумно-гидравлическое

Способ подачи сухого материала к смесительному устройству Двумя горизонтальными шнеками Одним наклонным шнеком

Привод разгрузочных шнеков От дизеля ЯМЗ-238 мощностью 176 кВт От электродвигателя мощностью, кВт

28 4,5 2,2

Регулирование частоты вращения шнеков С помощью коробки передач С помощью вариатора

Система регулирования плотности Изменеиием количества подаваемых жидкости и порошкообразного материала

Монтажная база Шасси автомобиля КрАЗ-257 Металлические салазки

Общая масса, т 14 3,5 1,6 0,6

Количество обслуживающего персонала Два человека постоянно Один человек на период приготовления раствора

порошок заранее не загружают в полном объёме в бункер, как в существующих ЦСМ, а добавляют по мере расходования его в процессе приготовления раствора. ОЦУ рассчитаны на работу совместно с ленточными конвейерами, облегчающими процесс подачи порошков в установку. Разработаны различные технологические схемы загрузки ОЦУ порошками, исключающие применение ручного труда.

Во всех ОЦУ использованы вакуумно-смесительные камеры, имеющие принцип работы и размеры, принятые в цементосмесительных машинах типа СМН. Это позволяет сохранить существующую технологию смешивания жидкой и порошкообразной составляющих растворов.

Опыт промышленного применения уже первых установок показал, что при работе ОЦУ на различных частотах вращения шнеков достигается соответствие расходов цементного порошка, подаваемого шнеками, и жидкости, закачиваемой насосом ЦА в смесительные устройства. Плотность тампонажного раствора в связи со стабильностью частоты вращения шнеков и отсутствием сводообразования цемента в бункере выдерживается весьма точно, сокращается до минимума время выхода системы ОЦУ-ЦА на заданный режим. Предложенные технологические схемы загрузки порошка обеспечивают необходимую скорость его подачи к смесительному устройству.

Последовательная разработка трёх конструкций

ОЦУ позволила длину бункера у ОЦУ-3 довести до 1,8 м, мощность двигателя - до 2,2 кВт, а массу соответственно каждой из трёх ОЦУ - до 3,5, 1,6 и 0,6 т. Технические характеристики цементосмесительных агрегатов приведены в таблице.

Последняя модификация (ОЦУ-3) по сравнению с первыми двумя имеет следующие конструктивные особенности. Вместо двух разгрузочных шнеков установлен один, который расположен не горизонтально, как это имеет место у СМН-20, ОЦУ-1 и ОЦУ-2, а под определенным утлом к горизонту. Для получения той же производительности, что и при двух шнеках, диаметр шнека у ОЦУ-3 и частота его вращения увеличены. Взамен коробки передач предусмотрен вариатор, позволяющий заранее и во время работы плавно регулировать частоту вращения шнека. Все это, а также расположение привода шнека со стороны вакуумно-смесительной камеры позволило достичь весьма небольшой высоты бортов (1 м) установки, хотя высота напорной трубы, из которой поступает готовый раствор, осталась без изменений.

Проведённая работа в рассматриваемых направлениях призвана оказать содействие в решении проблемы качественного тампонажа скважин, приготовления буровых растворов из порошкообразных материалов, в том числе в экстремальных условиях Севера и других труднодоступных районов.

Библиографический список

1. Возведение тампонажных дренажных завес / В.А. Хямя- 2. Заславский Ю.З., Дружко Е.Б. Новые виды крепи горных ляйнен, С.Л. Понасенко, И.А. Поддубный [и др.]; Кузбас. гос. выработок. М.: Недра, 1989. 256 с. техн. университет. Кемерово, 2003. 139 с.

УДК 622.2

К МЕТОДИКЕ ОЦЕНКИ УРОВНЯ КВАЛИФИКАЦИИ МАШИНИСТА ЭКСКАВАТОРА Д.Е.Махно1, П.Я.Зельцер2

Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Анализируются методики оценки уровня квалификации машиниста карьерного экскаватора. Предлагаемая методика, основанная на оценке удельной продолжительности цикла экскавации, позволяет определять как уровень квалификации машиниста экскаватора, так и технические возможности отдельных типов машин. Библиогр. 2 назв.

Ключевые слова: экскаватор; цикл экскавации; квалификация машиниста экскаватора.

TO THE EVALUATION PROCEDURE OF THE EXCAVATOR OPERATOR SKILL LEVEL D.E. Makhno, P.Y. Zeltzer

National Research Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.

The article analyzes the procedures to assess the skill level of a mining excavator operator. The proposed procedure based on the assessment of specific durability of the excavation cycle, allows to determine the excavator operator's skill level as well as technical capabilities of certain types of machines.

1 Махно Дмитрий Евсеевич, доктор технических наук, профессор кафедры горных машин и электромеханических систем, тел.: (3952) 405085, e-mail: makhno@istu.irk.ru

Makhno Dmitry, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Mining Machinery and Electromechanical Systems, tel.: (3952) (3952) 405085, e-mail: makhno@istu.irk.ru

Зельцер Павел Яковлевич, доктор технических наук, профессор кафедры технологий геологической разведки, тел.: (3952) 539263.

Zeltser Pavel, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Prospecting Technologies, tel. (3952) 539263.