способ проходки вертикальных шахтных стволов в обводненных неустойчивых породах и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ проходки вертикальных шахтных стволов в обводненных неустойчивых породах, включающий замораживание пород, проведение буровзрывных работ, механизированную погрузку пород, крепление шахтного ствола чугунными тюбингами с последующим тампонажем закрепного пространства, отличающийся тем, что при проведении буровзрывных работ определяют зоны положения забоя с предельно возможной силой воздействия упругих волн на замораживающие колонки относительно границ контакта двух пород с различными физико-механическими свойствами, после чего осуществляют разрушение пород в этих зонах в режиме, обеспечивающем величину напряжений в замораживающих колонках, создаваемых упругими волнами, равную или меньшую максимально допустимого значения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для разрушения пород в указанных зонах после проведения буровзрывных работ переходят на механическое разрушение пород.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для разрушения пород с крепостью выше пятой категории по шкале Протодьяконова в указанных зонах проведение буровзрывных работ осуществляют зарядами взрывчатых веществ с максимально допустимой массой одновременно взрываемых зарядов, при которой величина напряжений в замораживающих колонках, создаваемых упругими волнами при взрыве зарядов, имеет предельно допустимое значение.

4. Устройство для проходки вертикальных шахтных стволов в обводненных неустойчивых породах, содержащее систему замораживания пород, бурильную установку, грейферный погрузчик, механизм для возведения чугунной тюбинговой крепи, тампонажный комплекс, отличающееся тем, что оно снабжено тензодатчиками, установленными в замораживающих скважинах на определенном расстоянии относительно границ контакта двух пород с заданным шагом, измерительным блоком, расположенным на поверхности, и комплексом для механического разрушения горных пород, включающим шнековый исполнительный орган с приводом и механизм перемещения исполнительного органа, выполненный в виде двух концентрично установленных цилиндров, расположенных в сегменте поворотного кольца, образованном несущей балкой и перекрытием, жестко соединенными с кольцом, при этом внутренний цилиндр жестко связан с исполнительным органом через корпус его привода и установлен с возможностью осевого перемещения и вращения относительно внешнего цилиндра, жестко закрепленного в перекрытии, причем цилиндры снабжены фиксаторами положения, а поворотное кольцо расположено в пазу монтажного кольца с возможностью вращения посредством привода и звездочки, выступы которой взаимодействуют с пальцами поворотного кольца.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при проходке шахтных стволов в обводненных неустойчивых породах.

Известен способ проходки вертикальных шахтных стволов с предварительным замораживанием пород и последующим механическим их разрушением, механизированной погрузкой пород и креплением ствола чугунно-бетонной крепью.

Устройство для осуществления этого способа состоит из системы замораживания пород с колонками, стволопроходческого комбайна СК-1, погрузочного комплекса типа КС-2у/40 [1].

Недостатками этих технических решений являются наличие в ограниченном пространстве забоя ствола двух машин, что увеличивает время проведения монтажных работ, а также недостаточная надежность работы крепи вследствие возможных отклонений положения тюбингов от геометрической оси ствола. Кроме того, комбайновое разрушение горных пород требует значительных экономических затрат.

Известен способ проходки вертикальных шахтных стволов в обводненных неустойчивых породах, включающий замораживание пород, проведение буровзрывных работ, механизированную погрузку пород, крепление шахтного ствола чугунными тюбингами с последующим тампонажем закрепного пространства [2].

Устройство для проходки вертикальных шахтных стволов в обводненных неустойчивых породах включает систему замораживания пород, бурильную установку, грейферный погрузчик, механизм для возведения чугунной тюбинговой крепи, тампонажный комплекс [2].

Эти технические решения взяты нами в качестве прототипов.

Недостатком данных технических решений является разрушение замораживающих колонок в зоне контакта пород с различными скоростями прохождения упругих волн, возникающих при взрывании шпуровых зарядов.

Известен способ сооружения шахтных стволов в обводненных неустойчивых породах, включающий замораживание горного массива, создание вокруг ледопородного массива водоизоляционной тампонажной завесы на границе концентрации температурных напряжений путем бурения скважин, нагнетания через них тампонажного раствора для осуществления гидроразрыва и нагнетание через образовавшиеся трещины гидроизоляционного материала, выемку горной породы и крепление ствола [3].

Данное изобретение повышает надежность водоизоляции, однако не предотвращает разрушение замораживающих колонок.

Задачей изобретения является обеспечение надежности работы ледопородного ограждения ствола за счет предотвращения разрыва и деформаций замораживающих колонок.

Это достигается тем, что в способе проходки вертикальных шахтных стволов в обводненных неустойчивых породах, включающем замораживание пород, проведение буровзрывных работ, механизированную погрузку пород, крепление шахтного ствола чугунными тюбингами с последующим тампонажем закрепного пространства, при проведении буровзрывных работ определяют зоны положения забоя с предельно возможной силой воздействия упругих волн на замораживающие колонки относительно границ контакта двух пород с различными физико-механическими свойствами, после чего осуществляют разрушение пород в этих зонах в режиме, обеспечивающем величину напряжений в замораживающих колонках, создаваемых упругими волнами, равную или меньшую максимально допустимого значения. Кроме того, для разрушении пород в указанных зонах после проведения буровзрывных работ переходят на механическое разрушение пород или, для разрушения пород с крепостью выше пятой категории по шкале Протодьяконова, в указанных зонах проведение буровзрывных работ осуществляют зарядами взрывчатых веществ с максимально допустимой массой одновременно взрываемых зарядов, при которой величина напряжений в замораживающих колонках, создаваемых упругими волнами при взрыве зарядов, имеет предельно допустимое значение.

Для решения поставленной задачи устройство, содержащее систему замораживания пород, бурильную установку, грейферный погрузчик, механизм для возведения чугунной тюбинговой крепи, тампонажный комплекс, снабжено тензодатчиками, установленными в замораживающих скважинах на определенном расстоянии относительно границ контакта двух пород с заданным шагом, измерительным блоком, расположенным на поверхности, и комплексом для механического разрушения горных пород, включающим шнековый исполнительный орган с приводом и механизм перемещения исполнительного органа, выполненный в виде двух концентрично установленных цилиндров, расположенных в сегменте поворотного кольца, образованном несущей балкой и перекрытием, жестко соединенными с кольцом, при этом внутренний цилиндр жестко связан с исполнительным органом через корпус его привода и установлен с возможностью осевого перемещения и вращения относительно внешнего цилиндра, жестко закрепленного в перекрытии, причем цилиндры снабжены фиксаторами положения, а поворотное кольцо расположено в пазу монтажного кольца с возможностью вращения посредством привода и звездочки, выступы которой взаимодействуют с пальцами поворотного кольца.

На фиг.1 и фиг.2 показаны принципиальные схемы, реализующие предложенный способ на стадии проведения соответственно буровзрывных работ и механического разрушения пород, а на фиг.3 и 4 - комплекс для механического разрушения горных пород.

Способ проходки вертикального шахтного ствола заключается в следующем.

Данный способ проходки вертикальных шахтных стволов в обводненных неустойчивых горных породах включает замораживание пород, создавая ледопородное ограждение в зоне расположения проектного ствола. После этого проводят буровзрывные работы путем бурения шпуров на глубину подвигания забоя с последующим их заряжанием и взрыванием шпуровых зарядов ВВ. Далее осуществляют механизированную погрузку отбитой породы и транспортирование ее на дневную поверхность. В процессе проведения буровзрывных работ в массиве горных пород распространяются упругие волны, воздействующие на замораживающие колонки. На границе контакта пород с различными физико-механическими свойствами происходит наложение на основную упругую волну отраженных волн от контактирующей поверхности слоев пород. При совпадении фаз основной упругой волны и отраженных волн значительно увеличивается амплитуда ударных волн, что вызывает деформацию и разрушение замораживающих колонок, следовательно, разрушение ледопородного ограждения. Для предотвращения разрушения замораживающих колонок от воздействия взрывных волн вначале определяют границы контакта двух пород с различными физико-механическими свойствами одним из известных методов - сейсморазведки или георадиолакации с помощью излучателя и приемника. Выбор метода определения положения границы зависит от глубины залегания границы контакта двух пород и заданной точности измерения. После определения времени прихода отраженного сигнала от контакта слоев до забоя шахтного ствола вычисляют расстояние до этой границы по известной формуле:

где L - расстояние от забоя шахтного ствола до границы контакта двух пород с различными физико-механическими свойствами;

с - скорость распространения упругих волн в вышележащем слое породы;

t_з - время прохождения сигнала от излучателя до границы контакта двух пород с различными физико-механическими свойствами и обратно.

После определения границ контакта двух пород с различными физико-механическими свойствами устанавливают тензодатчики в замораживающих скважинах с заданным шагом на прогнозируемом расстоянии относительно границы контакта двух пород. Величину прогнозируемого расстояния определяют исходя из данных практики. Величину шага между тензодатчиками определяют в зависимости от заданной точности измерения. По мере продвижения забоя к границе контакта двух пород измеряют деформации (напряжения) в замораживающих колонках, которые увеличиваются. По замерам строят тарировочный график зависимости величины деформаций от прогнозируемого уровня до зоны с предельно возможным воздействием упругих волн на замораживающие колонки. Известно, что трубы для замораживающих колонок изготавливают из углеродистой стали с термической обработкой, выдерживающей давление до 20 МПа. При достижении величины напряжений в колонках, близкой к 14 МПа, являющейся максимально допустимой величиной, не приводящей к разрушению колонки, изменяют режим разрушения породы на забое. При этом уменьшают величину амплитуды упругой волны путем перехода на механическое разрушение породы или осуществляют разрушение горных пород крепостью выше пятой категории по шкале Протодьяконова зарядами взрывчатых веществ с максимально допустимой массой одновременно взрываемых зарядов, при которой величина напряжений в замораживающих колонках имеет предельно допустимое значение. При переходе на механический способ разрушения горных пород буровую установку снимают с тельфера и транспортируют на поверхность. После чего на забое ствола устанавливают комплекс для механического разрушения пород, с помощью которого проходят участок шахтного ствола с предельно допустимой силой воздействия упругих волн на замораживающие колонки с последующим транспортированием отбитой породы на поверхность и креплением шахтного ствола. Далее процесс повторяют.

Устройство для осуществления способа проходки вертикальных шахтных стволов состоит из системы замораживания пород, включающей замораживающую станцию 1 с рассолопроводом 2, подключенным к замораживающим колонкам 3, установленным в замораживающих скважинах 4, комплекса оборудования для проведения буровзрывных работ, включающего бурильную установку 5, например, типа БУКС-1М, подвешенную к тельферу 6 погрузочной машины 7, например, типа 2КС-2у/40, грейферного погрузчика 8, механизма для возведения чугунной тюбинговой крепи 9 известной конструкции, тампонажного комплекса 10 также известной конструкции, тензодатчиков 11, установленных в замораживающих скважинах 4, измерительного блока 12, например, УТИ1, расположенного на поверхности, а также комплекса для механического разрушения горных пород. Этот комплекс включает шнековый исполнительный орган 13 с приводом, расположенным в корпусе 14 и механизм перемещения исполнительного органа, выполненный в виде двух концентрично установленных цилиндров 15, 16, расположенных в сегменте поворотного кольца 17, образованном несущей балкой 18 и перекрытием 19, жестко соединенными с кольцом. Внутренний цилиндр 16 жестко связана с исполнительным органом 13 через корпус 14 его привода и установлен с возможностью осевого перемещения и вращения относительно внешнего цилиндра 15, жестко закрепленного в перекрытии 19. Цилиндры снабжены фиксаторами положения 20. При этом поворотное кольцо 17 расположено в пазу монтажного кольца 21 на валиках (не показаны) с возможность вращения посредством привода 22 и звездочки 23, выступы которой взаимодействуют с пальцами поворотного кольца. Перемещение исполнительного органа от стенки ствола к его центру осуществляют поворотом внутреннего цилиндра 16 относительно внешнего цилиндра 15, а подачу исполнительного органа на забой - путем осевого его перемещения с фиксацией положений внутреннего цилиндра относительно внешнего цилиндра посредством фиксаторов 20. Монтажное кольцо 21 жестко соединено с тюбинговой колонной 24 и установлено на домкраты 25. Перемещение монтажного кольца на каждый шаг установки тюбингов осуществляют на трех канатах лебедок, установленных на поверхности (не показано).

Способ проходки вертикальных шахтных стволов в обводненных неустойчивых породах и устройство для его осуществления реализованы 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 6.2 м осуществляют бурение 33 замораживающих скважин по концентрической окружности диаметром 14,5 м. Замораживание предусматривается низкотемпературное (температура рассола -35°С) в течение 180 суток. Суммарная холодопроизводительность замораживающей станции 1 составляет 26,5 МДж. Замораживающие колонки 3 состоят из става безмуфтовых труб марки ТЗК-2, внешний диаметр которых 146 мм, толщина стенки 11 мм. После создания ледопородного ограждения проектной толщины приступают к проходке ствола буровзрывным способом. Предусмотрено бурение шпуров бурильной установкой БУКС-1м 5 глубиной 1,5 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 8 и бадьи транспортируют на поверхность. Для предотвращения деформаций и разрушения замораживающих колонок от воздействия упругих волн, возникающих в процессе взрывания зарядов ВВ, уточняют методом георадиолокации границу контакта песков и глин относительно данных геологоразведки. По полученным данным граница контакта песков и глин находится в интервале глубин 151.9-152.1 м. Исходя из данных практики зоны возможных разрушений колонок находятся в пределах от 0,5-2,0 м от границы контакта пород [4.] Для замороженных песков и глины скорости распространения упругих волн равны C ₁=5300 м/с и C₂=3200 м/с, а плотность ₁=2600 кг/м³, ₂=2000 кг/м³ соответственно. При этом коэффициент отражения от границы этих сред составит:

При таком значении коэффициента k значительная часть энергии будет отражаться и складываться с энергией прямой волны, что может вызвать разрушение колонок. В связи с этим необходимо определить положение забоя, при котором деформации (напряжения) в замораживающих колонках достигают предельно допустимого значения. Оценку напряжений в колонках осуществляют с помощью тензодатчиков 11, расположенных в замораживающих скважинах 4 в пределах 2,5 м выше и ниже относительно границы контакта двух сред. Шаг установки тензодатчиков выбран из условия, что точность измерений должна быть выше в 5-10 раз, чем один шаг продвижения забоя, равный 1,5 м. В данном случае шаг выбран равным 25 см. Для оценки степени влияния взрывной волны на герметичность замораживающих колонок производят замеры деформаций колонок с помощью тензодатчиков 11 и измерительного блока 12 с последующим расчетом напряжений в замораживающих колонках 3. По результатам измерений установлено, что при приближении забоя на расстояние от 2,5 м к границе контакта слоев до 1 м напряжение в замораживающих колонках увеличивается до предельно допустимого значения, равного 14 МПа. При достижении предельно допустимых значений напряжений в колонках изменяют режим разрушения породы на забое, при котором уменьшают величину воздействия упругих волн путем перехода на механическое разрушение пород. При крепости пород выше пятой категории по шкале Протодьяконова в указанных зонах проведение буровзрывных работ осуществляют зарядами взрывчатых веществ с максимально допустимой массой одновременно взрываемых зарядов. Величину этой массы определяют путем расчета. Механическое разрушение горной породы забоя при диаметре ствола, равном 7 м, осуществляют посредством шнекового исполнительного органа 13 четырьмя кольцевыми штробами шириной по 900 мм путем поворота внутреннего цилиндра 16 со шнековым испонительным органом 13 и двумя заходками по 750 мм посредством осевого его перемещения. Разрушенную породу с помощью грейфера 8 погружают в бадью 26 и поднимают на поверхность. После очистки забоя монтажное кольцо 21 опускают на забой посредством трех лебедок, расположенных на поверхности, и устанавливают его на забой с помощью домкратов 25. Затем на верхний фланец монтажного кольца устанавливают очередное тюбинговое кольцо с помощью механизма 9 для возведения чугунной тюбинговой крепи и соединяют его с тюбинговой колонной 24, совмещая болтовые отверстия с помощью оправок и монтажных болтов с последующим их сбалчиванием. Через каждое второе тюбинговое кольцо осуществляют последующий тампонаж закрепного пространства посредством тампонажного комплекса 10. Для обеспечения гидроизоляции колонны швы между тюбингами зачеканивают свинцовой проволокой. Далее цикл повторяют. Для конкретных горногеологических условий протяженность зоны положения забоя с предельно возможной силой воздействия упругих волн на замораживающие колонки составила 14,2 м, которые были безаварийно пройдены за 5 суток. Крепость нижележащих пород - f<5 по шкале Протодьяконова, что позволило осуществить дальнейшую проходку ствола посредством предложенного комплекса разрушения горных пород.

Предложенный способ проходки вертикальных шахтных стволов в обводненных неустойчивых породах и устройство для его осуществления позволили обеспечить безаварийность работы ледопородного ограждения в течение всего срока замораживания - 180 суток, а также достичь стабильной скорости проходки ствола не менее 45 м/мес. В результате этого 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. Книга «Трест «Шахтспецстрой» 60 лет деятельности и развития специальных способов проходки шахтных стволов». Москва, 2003 г., отпечатано в Джей Ти Принт, с.121.

2. Книга Рудаков В.М. «Сооружение вертикальных и наклонных выработок в геологоразведке». Москва, Изд-во «КДУ» 2009 г., с.86 (прототип).

3. Патент РФ № 2095574, кл. E21D 1/12 от 02.10.1990 «Способ сооружения шахтных стволов в обводненных неустойчивых породах»

4. Трупак Н.Г. «Замораживание пород при сооружении вертикальных шахтных стволов», Москва, Недра, 1983 г., с.126.