СПОСОБ ПРОХОДКИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ШАХТНЫХ СТВОЛОВ В НЕУСТОЙЧИВЫХ И ОБВОДНЕННЫХ ПОРОДАХ
METHOD OF SINKING OF VERTICAL MAIN SHAFTS OF UNSTABLE AND WATERFLOODED ROCKS

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при проходке шахтных стволов в неустойчивых и обводненных породах.
Известен способ проходки шахтных стволов в слабых породах, включающий предварительное закрепление неустойчивых пород химическими, электрохимическими и другими методами для создания водонепроницаемого ограждения, проходку ствола, крепление и тампонаж закрепного пространства [1].
Недостатком известного способа является ограниченная область применения, так как он не может быть использован в условиях глинистых и обводненных пород.
Известен способ проходки шахтных стволов в слабых и обводненных породах, включающий предварительное определение упругих и прочностных характеристик горных пород в замороженном состоянии, создание временного ледопородного ограждения, проходку ствола заходками с последующим креплением и тампонажем закрепного пространства [2].
Недостатком данного способа является то, что толщину стенки ледопородного ограждения принимают из условия работы замороженной породы в области упругих деформаций, в результате чего при проходке шахтного ствола на большую глубину возникает необходимость образования больших толщин ледопородного ограждения, в результате чего область применения этого способа ограничивается глубинами стволов - не более 300 м.
Известен способ проходки шахтного ствола в неустойчивых породах, включающий бурение замораживающих скважин вокруг ствола, в которые размещают замораживающие колонки для образования ледопородного ограждения, проходку ствола заходками, акустический контроль за образованием и перемещением пластической области в замороженных породах между заходками, крепление шахтного ствола после определения момента достижения пластической областью замораживающих колонок и тампонаж закрепного пространства [3]. Этот способ взят мною в качестве прототипа.
Недостатком данного способа является то, что в процессе замораживания горных пород происходит потеря температуры рассола в замораживающих колонках, поскольку вынос тепла из горных пород осуществляется рассолом через буровой раствор. Это приводит к увеличению мощности замораживающей станции и времени создания ледопородного ограждения. Прочность бурового раствора значительно ниже прочности замороженных пород в связи с тем, что при замораживании горных пород в нем образуются кристаллы льда. Под действием внешних радиальных нагрузок вокруг скважин образуются трещины, вызывающие потерю устойчивости замораживающих колонок, а при значительных нагрузках - деформации и их разрыв.
Задачей данного изобретения является повышение теплоотдачи горных пород рассолу в замораживающих колонках с уменьшением энергозатрат на формирование ледопородного ограждения, а также повышение несущей способности ледопородного ограждения и исключение возможности перетока воды через заколонное пространство и прорыва воды через ледопородное ограждение в замковой его части за счет создания между горными породами и внешней стенкой каждой замораживающей колонки прочного и водонепроницаемого слоя, плотно контактирующего с ними.
Это достигается тем, что в способе проходки вертикальных шахтных стволов в неустойчивых и обводненных породах, включающем бурение замораживающих скважин вокруг ствола, в которые размещают замораживающие колонки для образования ледопородного ограждения, проходку ствола цикличными заходками с последующей установкой крепи и затворением закрепного пространства, при этом между заходками ствола проводят акустический контроль за несущей способностью ледопородного ограждения, после бурения замораживающих скважин до заданной глубины нагнетают в затрубное пространство каждой из них водный раствор синтетической полипропиленовой фибры с заданным соотношением жидкой и твердой фаз, после чего растворенные в воде фиброволокна поднимаются к устьям скважин, затем из замораживающих скважин извлекают буровые инструменты и опускают в них замораживающие колонки, далее глинистый буровой раствор с синтетической полипропиленовой фиброй выдерживают в течение не менее пяти суток до формирования прочного и водонепроницаемого слоя между внешними стенками замораживающих колонок и породой, после этого создают ледопородное ограждение вокруг шахтного ствола. Кроме того, при нагнетании водного раствора синтетической полипропиленовой фибры в затрубное пространство каждой скважины истекаемый из нее глинистый буровой раствор подают на вход сепаратора очистки для повторного его использования.
Способ проходки вертикального шахтного ствола заключается в следующем.
Вокруг шахтного ствола на заданном расстоянии от него по концентрической окружности бурят замораживающие скважины двумя бурильными установками типа УБЗШ-СКБ с промывкой забоя глинистым буровым раствором. Одновременно с процессом бурения скважин приготавливают водный раствор синтетической полипропиленовой фибры (СПФ) с заданным соотношением жидкой и твердой фаз. Это соотношение задают исходя из свойств пород и обеспечения необходимой вязкости водного раствора СПФ для прохождения его через сопло бурового инструмента в затрубное пространство. Количество закачиваемого водного раствора СПФ в затрубное пространство каждой замораживающей колонки определяют расчетным путем с учетом ее глубины. После бурения замораживающих скважин до заданной глубины нагнетают в затрубное пространство каждой из них водный раствор синтетической полипропиленовой фибры через сопло бурового инструмента. Растворенные в воде фиброволокна вместе с глинистым раствором поднимаются к устьям замораживающих скважин, при этом часть глинистого бурового раствора истекает из замораживающих скважин, который подают на сепаратор очистки для повторного использования. Затем из замораживающих скважин извлекают буровой инструмент и опускают в них замораживающие колонки. Далее глинистый буровой раствор с синтетической полипропиленовой фиброй выдерживают в скважине в течение не менее пяти суток. В течение этого времени в каждой замораживающей скважине происходит процесс армирования глинистого бурового раствора виброволокнами СПФ с последующим затвердеванием и образованием прочного и водонепроницаемого слоя между внешними стенками замораживающих колонок и породой. Затем замораживающие колонки подключают к замораживающей станции с магистральными трубопроводами и создают ледопородное ограждение вокруг шахтного ствола.
Наличие прочного и водонепроницаемого слоя между внешними стенками замораживающих колонок и породой повышает теплоотдачу горных пород рассолу в замораживающих колонках, прочность замороженных пород на контуре замораживающих скважин, следовательно, и несущую способность ледопородного ограждения, а также исключает возможность прорыва воды и плывуна в замковой части ледопородного ограждения и перетоков воды через замораживающие скважины.
Проходку шахтного ствола осуществляют цикличными заходками путем выемки в забое породы с последующей установкой постоянной крепи и тампонажем закрепного пространства бетоном. Между заходками ствола проводят акустический контроль за несущей способностью ледопородного ограждения. При этом в два контрольных шпура, пробуренных наклонно вниз из забоя шахтного ствола в незакрепленной его части, размещают шпуровые излучатель и приемник ультразвука. В две замораживающие колонки опускают скважинные излучатель и приемник ультразвуковых колебаний на глубину расположения контрольных шпуров. Определение несущей способности ледопородного ограждения осуществляют с помощью замеров скорости распространения ультразвука от скважинных излучателя к приемнику, а также - от шпуровых излучателя к приемнику на различных базах. До момента начала снижения несущей способности ледопородного ограждения ведут работы по разрушению и выемке породы в заходке, а в момент начала снижения - переходят к возведению постоянной крепи в заходке.
3
Описанный выше способ проходки вертикальных шахтных стволов в неустойчивых и обводненных породах осуществляют посредством известных технических средств. Далее указан один из возможных вариантов его осуществления. Устройство состоит из бурильной установки типа УБЗШ-СКБ и УБЗШ-2-30 для бурения скважин, бурильной установки БУКС-1 м для бурения шпуров в забое ствола, замораживающих колонок типа «труба в трубе» из труб ТЗК, установленных в скважины, замораживающей станции типа «ТНТ-365» с магистральными трубопроводами, соединенными с коллекторами замораживающих колонок, производительностью 750 кВт, мешалки типа МХ20 для приготовления водного раствора СПФ, насоса типа НПА-50 для подачи водного раствора СПФ в скважины, ситогидроциклонного сепаратора СГС1М. Для промывки забоя скважин применяют глинистый буровой раствор, например, на основе тонкодисперсных высокопластичных монтмориллонитовых глин вязкостью до 20 МПа, плотность 1,05-1,12 г/см. Устройство также включает породопогрузочный комплекс КС-2у/40, бадьи БПСМ-3, проходческие лебедки, компрессор, механизм для возведения постоянной крепи в виде тюбингов 70-40 и 70-60, тампонажный комплекс, состоящий из бетоносмесительной установки БСУ 37.60 с устройством загрузки, акустические излучатели УД2Н-ПН и приемники УД 2-16, расположенные в замораживающих скважинах и шпурах, и измерительный блок, например, УТИ-1, установленный на дневной поверхности.
-6
Результаты экспериментальных исследований по определению прочности и водонепроницаемости глинистого бурового раствора, армированного фиброй при сжатии и температурах от -1°C до - 20°C, представлены в таблице. Испытуемые образцы размером 70×70×70 мм замораживали в морозильной камере типа МК-50 до заданных температур, а в камере типа БВ-21 (конструкции ВНИИМИ) запредельного деформирования при объемном сжатии образцов определяли их прочность на гидравлическом прессе ЕУ-10. Водонепроницаемость образцов измеряли по коэффициенту фильтрации по ГОСТ 12730584 с помощью прибора фильтратомера ФМ-3 с максимальным испытательным давлением 1,3 МПа. Затвердевший глинистый буровой раствор с фиброй на пятые сутки имеет водонепроницаемость 10 см/с, модуль деформации Е<100 МПа, прочность на одноосное сжатие от 2,8 до 4,5 МПа
Способ реализуется следующим образом.
Способ проходки вертикальных шахтных стволов в обводненных неустойчивых породах реализован применительно к условиям Гремяченского месторождения при строительстве шахтного ствола диаметром 7,0 м и глубиной 1181,0 м. Разрабатываемый пласт находится под толщей осадочных неустойчивых пород мощностью около 600 метров, вмещающих несколько водоносных горизонтов с гидростатическим напором до 5,5 МПа, участки пород представлены залежами мела, песка, глин аргиллитоподобных, известняков и гранитов. Основным фактором, определяющим необходимость применения способа замораживания в данных условиях, является наличие в разрезе разнозернистых водонасыщенных неустойчивых песков общей мощностью более 150 м, распространенных на глубину 511,5 м, пучащих глин, высоконапорных подземных вод, величина напора которых превышает 500 м, и большой мощности водоносных горизонтов, составляющих более 400 м. Для создания ледопородного ограждения толщиной 4,8 м осуществляют бурение 33 замораживающих скважин посредством бурильной установки типа УБЗШ-СКБ и УБЗШ-2-30 по концентрической окружности диаметром 14,5 м. Одновременно с процессом бурения скважин готовят водный раствор синтетической полипропиленовой фибры (СПФ) путем перемешивания в резервуаре СПФ и воды в течение не менее 15 мин посредством мешалки типа МХ20 при следующем их соотношении Ж/Т 90:10 для данных условий бурения. После бурения замораживающих скважин до заданной глубины - 620 м нагнетают в затрубное пространство каждой из них водный раствор синтетической полипропиленовой фибры через бурильные трубы и сопло бурового инструмента с диаметром проходного канала, равным 50 мм, посредством насоса типа НПА-50. Растворенные в воде фиброволокна поднимаются вверх к устьям замораживающих скважин, при этом часть глинистого бурового раствора вытекает из замораживающих скважин, который подают на ситогидроциклонный сепаратор СГС1М очистки для повторного использования. При достижении фиброволокнами устьев скважин нагнетание водного раствора в скважины прекращают. Достаточное количество закачиваемого водного раствора СПФ можно определить визуально или расчетным путем. В данном конкретном случае это количество по расчетным данным составляет 365 кг на одну скважину. Затем из замораживающих скважин извлекают буровые инструменты и опускают в них замораживающие колонки, состоящие из става безмуфтовых труб марки ТЗК-2, внешний диаметр которых 146 мм, толщина стенки 11 мм. После чего глинистый буровой раствор с СПФ выдерживают в течение не менее 5 часов. При этом одна часть глинистого бурового раствора с СПФ проникает через трещины в горную породу, окружающую колонки, а другая находится между горной породой и колонками. По истечении указанного времени глинистый раствор с СПФ переходит в твердую фазу, создавая прочный и водонепроницаемый слой между стенками замораживающих колонок и горными породами. Далее замораживающие колонки подключают через магистральные трубопроводы к замораживающей станции ТНТ-365 и производят активное замораживание горных пород, предварительно рассчитав по данным инженерно-геологических изысканий и экспериментальных исследований толщину ледопородного ограждения, равную для данных условий 4,8 м. Замораживание предусматривается низкотемпературное (температура рассола -35°C) в течение 142 суток. Суммарная холодопроизводительность замораживающей станции составляет 26,5 МДж. После создания ледопородного ограждения толщиной 4,8 м вокруг шахтного ствола приступают к проходке ствола в неустойчивых породах на глубину 600 м цикличными заходками буровзрывным способом. Предусмотрено бурение пяти шпуров глубиной 1,5 м бурильной установкой БУКС-1 м, масса одновременно взрываемого заряда 4,2 кг, ВВ - аммонит 6 ЖВ, расстояние между оконтуривающими шпурами забоя и замораживающими колонками составляет 2 м. После проведения взрывных работ отбитую породу с помощью грейферного погрузчика КС-2у/40 и БПС-3 бадьи транспортируют на поверхность с последующей установкой постоянной тюбинговой крепи и затворением закрепного пространства бетоном. Между заходками ствола проводят акустический контроль за несущей способностью ледопородного ограждения. Для этого перед проходкой очередной заходки из забоя ствола в незакрепленной его части бурят два контрольных шпура, в которые устанавливают излучатель УД2Н-ПН и приемник типа УД 2-16 ультразвуковых колебаний. В две замораживающие колонки на глубину расположения контрольных шпуров опускают скважинные излучатель и приемник ультразвуковых колебаний. Определение несущей способности ледопородного ограждения осуществляют с помощью замеров скорости распространения ультразвука от шпурового излучателя к приемнику на различных базах и от скважинных излучателя к приемнику. При этом снижение скорости распространения ультразвука, что вызвано образованием микротрещин в замороженных породах, свидетельствует о переходе породы в пластическое состояние. При достижении пластической областью окружности расположения замораживающих колонок происходит снижение несущей способности ледопородного ограждения. До момента начала снижения несущей способности ледопородного ограждения ведут работы по разрушению и выемке породы в заходке, а в момент начала снижения переходят к возведению постоянной крепи в заходке.
Предложенный способ проходки вертикальных шахтных стволов в обводненных неустойчивых породах обеспечил прочность слоя глинистого раствора с СПФ, равную 4,5 МПа, что позволило снизить мощность замораживающей станции на 12-15% от проектной, достичь расчетной температуры окружающего породного массива и сократить активное время процесса замораживания горных пород на 40%. При этом также повышается несущая способность замораживающих колонок на 15% за счет исключения разрушения ледопородного ограждения в прискважинной зоне, а также исключается возможность прорыва воды и плывуна через ледопородное ограждение в замковой его части и переток воды через замораживающие скважины. Это обеспечивает безаварийность работы ледопородного ограждения в течение всего срока активного замораживания - 142 суток, а также достигается стабильная скорость проходки ствола не менее 45 м/мес. В результате сокращены сроки строительства ствола более чем на 40% и уменьшены материальные затраты на его строительство не менее чем в 1,5 раза.
Источники информации
1. Трупак Н.Г. Специальные способы проведения горных выработок, М., «Недра», 1976, с.262-263.
2. Трупак Н.Г. Замораживание грунтов в подземном строительстве. М., «Недра», 1974, с.82-89.
3. Авторское свидетельство СССР №1286774, E21D 1/00, E21D 1/12 от 20.08.85 «Способ проходки шахтного ствола» (прототип).
Таблица
Пределы прочности при сжатии б<sub>сж</sub> и водонепроницаемости замороженного глинистого бурового раствора, укрепленного фиброй, в зависимости от температуры
Глинистый буровой раствор, укрепленный синтетической полипропиленовой фиброй (СПФ) мас.%
Пределы прочности при сжатии (в МПа) при температуре, C°
От -1 до -5
От -5 до -10
От -10 до -15
От -15 до -20
Глинистый буровой раствор
Фибра (СПФ)
92-91
8-9
0,7-0,85
1,1-2,2
2,1-2,8
2,9-3,4
90-88
10-12
1,1-1,6
1.8-2,8
3,1-4,2
4,2-5,1
87-85
13-15
1,5-1,8
1.9-3,0
3,2-4,4
4,5-5,5
Водонепроницаемость, м
Глинистый буровой раствор
0,02
0,02-0,04
0,05-0.08
0,09-0,1
Глинистый буровой раствор с СПФ 10%
0,09-012
0,15-0.17
0,18-022
0,26-028
Глинистый буровой раствор с СПФ 12%
015 019
020-024
025-028
0,34-0,38
Глинистый буровой раствор с СПФ 15%
0,18-0.22
0.24-03.0
0,32-0,38
0,34-0,42