Совершенствование конструкции крепи скважин большого диаметра и технологии ее возведения

Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)

СИЛЬЧЕНКО ЮРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ КРЕПИ СКВАЖИН БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА И ТЕХНОЛОГИИ ЕЕ ВОЗВЕДЕНИЯ

Новочеркасск Издательство «Набла» 2003

Рецензенты: доктор технических наук, профессор Ткачев В.А., доктор технических наук, профессор Привалов А.А.

Сильченко Ю.А. Совершенствование конструкции крепи скважин большого диаметра и технологии ее возведения. Новочеркасск: Изд-во «Набла», 2003, 74 с.

В работе изложены результаты проведенных аналитических исследований напряженно-деформированного состояния массива горных пород вокруг скважины большого диаметра, закрепленной комбинированной набрызг-бетонной крепью в сочетании с железобетонными анкерами и металлической сеткой, возводимой с опережающей откачкой бурового раствора, применительно к условиям Российского Донбасса. Приводятся разработанные технологические схемы крепления скважин большого диаметра с применением предложенной области технологии. Работа может быть полезна специалистам, занимающимся вопросами проектирования скважин большого диаметра.

© Шахтинский институт ЮРГТУ, 2003 © Сильченко Ю.А., 2003

2

ВВЕДЕНИЕ Бурение скважин большого диаметра представляет собой надежный и эффективный способ строительства вертикальных горных выработок практически в самых различных горно-геологических условиях. 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, Донгипрооргшахтострой, Южгипрошахт, КУЗНИИшахтострой, МГИ, МГРИ, ТулПИ, 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: Маньковского Г.И., Федюкина В.А., Купчинского И.Л., Качан В.Г., Булах Г.И., Жиленко Н.П., Литинского Ю.В., Агаркова А.К., Астраханя А.П., Ерофеева Л.М., Малиованова Д.И.; авторов: Брюммер К.Х., Резнер Э., Лешхорн Ф., Хеннеке Й., Мюллер Г., Тоншайдт Г.В. Вопросам расчета и проектирования крепления скважин большого диаметра посвящены работы Булычева Н.С., Фотиевой Н.Н., 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 горногеологических 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, что противоречит тенденции развития шахтного строительства в мировых горнодобывающих странах.

3

На основании выполненного системного анализа современного состояния и основных тенденций развития сооружения скважин большого диаметра, установлено, что совершенствование конструкции и технологии крепления следует рассматривать одним из основных направлений повышения технико-экономической эффективности сооружения скважин большого диаметра. В работе приведены результаты выполненного геомеханического обоснования конструкций облегченной крепи скважин большого диаметра на базе анкеров и набрызг-бетона и технологии ее возведения. Приведенный комплекс исследований выполнен применительно к горногеологическим условиям Российского Донбасса.

4

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ СООРУЖЕНИЯ СКВАЖИН БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА 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. Так на калийной шахте в Канаде проходка ствола глубиной 1000 м и диаметром 5,5 м была заменена бурением четырех скважин диаметром 1,8 м, что позволило начать подготовку рудного поля на 18 мес. раньше. На шахте №16 треста Шолоховскуголь комбината Ростовуголь в сложных горно-геологических условиях, не позволяющих осуществить проходку обычным способом, проходка ствола большого диаметра была заменена бурением четырех скважин диаметрами в свету 1,2 м и 1,4 м. В зависимости от назначения скважины большого диаметра можно классифицировать в соответствии с рис. 1. Сооружаемые скважины характеризуются диаметрами в проходке от 0,5 м до 9,0 м и глубинами до 1200 м. Анализ динамики применения бурения в зависимости от диаметра выработки в проходке показывает, что бурение скважин применяется тем чаще, чем меньше требуемый диаметр выработки. Так доля скважин диаметром в бурении более 4,0 м составляет только 10% от общего количества проходимых выработок. Это объясняется главным образом тем, что при обычном способе проходки вертикальных выработок небольшого сечения трудно разместить в ней все необходимое эффективное проходческое оборудование. Значительное влияние на технико-экономическую эффективность способа бурения оказывает конструкция крепи и технология ее возведения.

5

Классификация скважин большого диаметра

Скважины, используемые в горнодобывающей промышленности Главные и вспомогательные стволы Вентиляционные стволы и скважины Закладочные скважины Рудоспуски, гейзенки Технические скважины для спуска материалов, прокладки трубопроводов и кабелей Водоотливные скважины Подземные бункеры Скважины для подземной газификации Гидрогеологические, геологические и сейсмические скважины

Скважины, используемые в коммунальном хозяйстве Смотровые, перепадные и вентиляционные колодцы Специальные колодцы для спуска оборудования для чистки коллекторов Шахты для монтажа оборудования в период строительства Водопонизительные скважины Скважины специального назначения Захоронение радиоактивных и токсичных отходов Скважины для строительства подземных хранилищ Скважины, используемые МЧС для горноспасательных работ Скважины военного назначения Технологические сооружения заводов

Скважины, используемые в транспортном строительстве Вентиляционные скважины Скважины для монтажа оборудования Скважины для прокладки трубопроводов и кабелей Скважины, используемые в гидротехническом строительстве Водозаборные скважины Уравнительные шахты Водоподающие выработки Скважины для обслуживания оборудования Лифт-шахты Кабельные шахты Скважины для сооружения свайных оснований гидротехнических сооружений

Рис. 1. Классификация скважин большого диаметра в зависимости от области применения и их назначения

6

В зарубежной практике в зависимости от горно-геологических условий, экономической целесообразности и поставленных задач для крепления скважин большого диаметра применяются различные типы крепей. Так, в сложных горно-геологических условиях получили распространение скользящие крепи с битумным заполнением кольцевого пространства, монолитные бетонные и сборные железобетонные крепи, усиливаемые в зоне перехода от неустойчивых пород к устойчивым и на участках ствола, подверженных значительному горному давлению, стальными обечайками. В благоприятных горно-геологических условиях (устойчивые необводненные или малообводненные вмещающие породы) бурение осуществляется без последующего крепления, или с использованием упрочняющих и ограждающих крепей. Получили распространение кольцевые стальные крепи с рулонной сетчатой затяжкой, анкерные крепи, набрызг-бетонные и коллоидные крепи, крепи из бетонных панелей армированных стекловолокном и другие виды крепей, а также различные их комбинации. В России и странах СНГ для крепления скважин используют, в основном, обсадные металлические крепи, возводимые секционным или погружным способами в зависимости от результатов геофизических исследований, грузоподъемности оборудования и способа спуска крепи. Применение других видов крепи носит эпизодический характер. В разное время имели случаи применения сталебетонной, тюбинговой из чугунных тюбингов и монолитной железобетонной крепей, возводимых погружным способом; монолитной бетонной крепи, возводимой в среде бурового раствора; секционной железобетонной крепи из колец, блоков или тюбингов, возводимой погружным способом; облегченной металлической крепи конструкции Южгипрошахта. Начиная с 1961 г. на территории бывшего СССР проводится работа по обоснованию возможности применения в благоприятных горно-геологических и гидрогеологических условиях для крепления скважин большого диаметра облегченных видов крепей и созданию технологии их возведения. Проведенные Криворожским филиалом ВНИИОМШС научно-исследовательские работы позволили создать набрызг-железобетонную крепь. Применяемые в практике сооружения вертикальных выработок, пройденных бурением, конструкции крепи для крепления скважин большого диаметра в зависимости от технологической схемы, по которой производится бурение, можно классифицировать в соответствии с рис. 2.

7

Классификация конструкций крепи скважин большого диаметра

Крепи, возводимые в скважинах, пробуренных с применением бурового раствора

Крепи, возводимые с поверхности в скважину, заполненную буровым раствором Стальная крепь Сталебетонная крепь

Крепи, возводимые в скважинах, пробуренных без применения бурового раствора

Крепи, возводимые в среде бурового раствора Монолитная бетонная крепь, возводимая способом подводного бетонирования

Крепь из чугунных тюбингов Сборная крепь из железобетонных колец и блоков

Монолитная железобетонная крепь, возводимая погружным способом

Крепи, возводимые после окончания бурения ствола до проектной глубины

Анкерная крепь Набрызг-бетонная крепь Набрызг-бетонная крепь в комбинации с анкерами

Крепи, возводимые при опережающей откачке бурового раствора

Анкерная крепь Набрызг-бетонная крепь Набрызг-бетонная крепь в комбинации с анкерами Монолитная бетонная крепь, возводимая в опалубке с поддоном

Крепи, возводимые одновременно с разрушением пород

Монолитная бетонная крепь, возводимая в опалубке с поддоном

Крепь из секционных колец из профиля GI с сетчатой затяжкой

Крепь из коллоидного цемента, нанесенного по способу Тиссен-Джонассон

Крепь из бетонных панелей, армированных стекловолокном

Рис. 2. Классификация конструкций крепи скважин большого диаметра в зависимости от применяемой технологической схемы бурения

8

При строительстве скважин большого диаметра способом штангового бурения на полное сечение или ступенчато на территории бывшего СССР получил развитие отечественный способ бурения агрегатами РТБ, чему способствовало возможность легко изменять диаметр забойного агрегата, что очень важно для технологии бурения, и применение поверхностного оборудования, серийно выпускаемого для бурения нефтяных и газовых скважин диаметром 0,2-0,4 м. Применение этого оборудования было обусловлено стремлением ускорить промышленное внедрение РТБ и в то время было оправдано. Однако специфические условия бурения стволов диаметром 2,0-4,0 м вызвали необходимость усовершенствования существующего и создания нового оборудования. Для удовлетворения потребности угольных шахт в скважинах большого диаметра начиная с 1981 г. производится закупка установок роторного бурения с эрлифтной промывкой L-4 и L-35 фирмы «Wirth» (Германия). На сегодняшний день ГХК «Спецшахтобурение» (Украина) используется четыре типа роторных установок с эрлифтной промывкой фирмы «Wirth»: L-4, L-35 (L-35K), L-35M, L-35MP (L-35MPK). Кроме роторных установок фирмы «Wirth» ГХК «Спецшахтобурение» применяются и отечественные поверхностные комплексы, использующие забойные агрегаты РТБ. Основным фактором, сдерживающим широкое применение скважин большого диаметра в условиях Российской Федерации, является высокая стоимость работ, которая соизмерима со специальными способами проходки стволов. В целях определения основных направлений совершенствования технологии сооружения скважин большого диаметра выполнен анализ структуры технико-экономических показателей, включая стоимость, продолжительность и трудоемкость работ. К анализу принимались технико-экономические показатели, полученные при сооружении скважин с применением буровых установок L-35 фирмы «Wirth» (Германия) и буровых агрегатов РТБ (Россия), закрепленных металлической крепью. На основании статистической обработки приведенной базы данных, определенной в соответствии с нормативными документами 1984 г., получено распределение по процессам средних показателей стоимости, продолжительности и трудоемкости сооружения скважин большого диаметра, пробуренных буровыми установками L-35 и агрегатами РТБ, приведенное на рис. 3.

9

а)

б) 2243,45 руб./п.м. (58,65%)

3047,42 руб./п.м. (63,30%)

986,97 руб./п.м. (25,80%)

1064,52 руб./п.м. (22,12%)

527,36 руб./п.м. (13,79%) 67,23 руб./п.м. (1,76%)

632,70 руб./п.м. (13,14%) 69,47 руб./п.м. (1,44%)

Распределение стоимости сооружения скважин большого диаметра (в ценах 1984 г.) 0,0178 мес./п.м. (63,92%)

0,0250 мес./п.м. (71,78%)

0,0029 мес./п.м. (10,47%) 0,0038 мес./п.м. (10,91%) 0,0069 мес./п.м. (24,69%)

0,0046 мес./п.м. (13,16%) 0,0015 мес./п.м. (4,15%)

0,0003 мес./п.м. (0,92%)

Распределение продолжительности сооружения скважин большого диаметра 11,6380 чел.-дн./п.м. (60,25%) – бурение; 3,1453 чел.-дн./п.м. (16,28%)

– цементация; – обсадка;

3,2192 чел.-дн./п.м. (16,66%) 1,3152 чел.-дн./п.м. (6,81%)

– осушение.

Распределение трудоемкости сооружения скважин большого диаметра Рис. 3. Распределение средних показателей стоимости, продолжительности и трудоемкости сооружения скважин большого диаметра, пробуренных: а) –буровыми установками L-35; б) –буровыми агрегатами РТБ.

10

Анализ полученных результатов показал, что в общем процессе сооружения скважин затраты стоимости, трудоемкости и продолжительности на крепление составляют, соответственно, 39,6-35,3%, 35,2-24,1%, 33,0%, в зависимости от типа применяемого бурового оборудования. Для определения зависимости стоимости бурения и крепления скважин от глубины и диаметра в бурении выполнен корреляционный анализ стоимости бурения и крепления скважин большого диаметра при средней крепости пород по шкале проф. М.М. Протодьяконова f = 7,5, на основании которого были получены следующие уравнения: − стоимость бурения 1,0 м. скважины на глубине h в ценах 1984 г. (коэффициент корреляции R2 = 0,9949)

(

)

C бур = 0,0001 ⋅ h 2 + 0,0744 ⋅ h + 234,86 ⋅ D 1,9993 , руб./м.; −

стоимость крепления 1,0 м. скважины на глубине h в ценах 1984 г. (коэффициент корреляции R2 = 0,8587) C кр = (0,0695 ⋅ D − 0,0808) ⋅ h + 272,04 ⋅ D − 185,08 , руб./м.,

где D h

– диаметр скважины в бурении, м; – глубина рассматриваемого участка скважины, м. Трудоемкость выполнения отдельных процессов сооружения скважин большого диаметра, пробуренных буровыми установками L-35, соответственно описывается следующими уравнениями, полученными в результате корреляционного анализа: − бурение скважины (коэффициент корреляции R2 = 0,8962) Tбур = (1,5917 ⋅ H + 28,8343) ⋅ D 2 , чел.-дн.; −

обсадка скважины (коэффициент корреляции R2 = 0,6968) Tобс = (1,1123 ⋅ H + 36,5327 ) ⋅ D , чел.-дн.;

−

цементация скважины (коэффициент корреляции R2 = 0,6283) Tцем = (1,0972 ⋅ H + 33,2142) ⋅ D , чел.-дн.;

−

осушение скважины (коэффициент корреляции R2 = 0,8433) Tос = (0,1118 ⋅ H + 9,9649) ⋅ D 2 , чел.-дн.,

где H

– проектная глубина скважины, м. Продолжительность выполнения отдельных операций крепления скважин металлической крепью может быть определена по следующим формулам: − обсадка скважины (коэффициент корреляции R2 = 0,8771)

11

t обс = 196,046 ⋅ H ⋅ D 2,3411 , ч.; −

цементация скважины (коэффициент корреляции R2 = 0,9652) t цем = 3436,634 ⋅ H ⋅ D 1,5586 , ч.

Резюмируя результаты исследований, следует сделать вывод, что с увеличением диаметра и глубины бурения скважин одним из основных направлений повышения технико-экономической эффективности сооружения скважин большого диаметра является совершенствование конструкции крепи и технологии ее возведения с учетом горно-геологических условий и технических требований, предъявляемых к скважинам. В соответствии с выводами, полученными в результате исследований, выполнено исследование напряженно-деформированного состояния массива горных пород вокруг скважины большого диаметра для двух вариантов ее крепления комбинированной набрызг-бетонной крепью: 1. Крепление скважины производится вслед за откачкой бурового раствора с отставанием L, определяемым условиями размещения технологического оборудования для крепления скважины (см. рис. 4, а); 2. Крепление скважины производится после откачки бурового раствора на проектную глубину скважины L = H (см. рис. 4, б).

L

H

H

Технологическое оборудование для крепления

Крепь

б) Крепь

а)

Технологическое оборудование для крепления

HР

L

Промывочная жидкость 2⋅R

2⋅R

Рис. 4. Технологическая схема крепления скважины: а) – вслед за откачкой бурового раствора с отставанием L; б) – после откачки бурового раствора (L = H)

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

12

тойчивость 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 физикомеханических 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. Намеченный комплекс исследований выполняется применительно к горно-геологическим условиям Российского Донбасса. Технические требования и граничные условия к исследуемой технологии приведены в табл. 1. Таблица 1 Технические требования, граничные условия к исследуемой технологии №

Наименование

1

Назначение скважины

2 3

Диаметр скважины в бурении Глубина скважины

4

Конструкция крепи

5

Технология ведения работ: – бурение – крепление

6

Водоподавление

7

Влияние горных работ

Технические требования, граничные условия Вскрывающие, вентиляционные и технические скважины для угольной промышленности До 6,0 м До 1000,0 м Анкерная крепь, набрызг-бетон в сочетании с анкерами и металлической сеткой Штанговое с прямой и обратной промывкой (буровые установки L-35 и L-4 и агрегаты РТБ) Вслед за откачкой бурового раствора и после откачки бурового раствора на полную глубину скважины Предварительный тампонаж с поверхности. Остаточный приток не более 5 м3/ч. Скважина не подвержена влиянию горных работ

13

ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННОДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ВМЕЩАЮЩЕГО СКВАЖИНУ ПОРОДНОГО МАССИВА И КРЕПИ ПРИ КРЕПЛЕНИИ НАБРЫЗГ-БЕТОНОМ С ОПЕРЕЖАЮЩЕЙ ОТКАЧКОЙ БУРОВОГО РАСТВОРА Исследование напряженно-деформированного состояния вмещающего скважину породного массива и крепи Технологическая схема сооружения скважины большого диаметра при ее креплении комбинированной набрызг-бетонной крепью в сочетании с железобетонными анкерами и металлической сеткой с подвесного полка вслед за откачкой бурового раствора (после откачки бурового раствора на проектную глубину скважины) предусматривает: 1. бурение (обнажение стенок скважины) в среде бурового раствора с последующей заменой его в случае необходимости на воду; 2. откачку бурового раствора из скважины после бурения; 3. нанесение выравнивающего слоя набрызг-бетона с отставанием крепи от зеркала бурового раствора на величину незакрепленного участка скважины L, определяемую условиями размещения технологического оборудования или технологией крепления скважины; 4. установку железобетонных анкеров с закреплением к ним металлической сетки и нанесение на нее слоев набрызг-бетона до достижения проектной толщины крепи. Анализ горно-геологических данных по 28 стволам (см. рис. 5) и физико-механических свойств коренных пород показывает, что породы Российского Донбасса следует отнести к первому типу по характеру длительного деформирования согласно классификации Ю.М. Либермана, в качестве реологического уравнения состояния которых 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. от последовательности и продолжительности указанных выше технологических операций. При вводе крепи в контакт с породными стенками в начальный момент времени крепь не испытывает нагрузок со стороны пород. В даль-

14

1,17%

– угли и углистые сланцы (f = 1-2);

1,95%

– известняки и известковые сланцы (f = 7-12);

5,51%

– покровные отложения (f = 0,6-2);

10,72%

– песчано-глинистые сланцы (f = 4-6);

12,06%

– глинистые сланцы (f = 4-6);

32,73%

– песчаники (f = 10-15);

35,86%

– песчаные сланцы (f = 1-2).

Рис. 5. Распределение по литологическому составу залегающей толщи пород, пересекаемых стволами в Российском Донбассе

нейшем развивается давление на крепь вследствие ползучести пород. Определение давления пород на крепь рассматривается при решении объемной 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 u кр = u1 + u 2 + u 3 + u 4 − u 5 − u 6 , (1) где uкр – смещения внешнего контура сечения крепи, R , м, u кр = Aкр ⋅ Pкр ⋅ 2 ⋅ Gкр

(2)

здесь Aкр – параметр, характеризующий крепь скважины, Aкр =

b 2 ⋅ (1 − 2 ⋅ μ кр ) + 1

, b2 −1 здесь b – отношение радиуса скважины в бурении к радиусу скважины в свету, R , b= R−δ здесь R – радиус скважины в бурении, м;

15

δ – толщина крепи, м; μкр – коэффициент Пуассона материала крепи (набрызгбетона); Pкр – давление пород на крепь, МПа; Gкр – модуль сдвига материала крепи (набрызг-бетона), МПа; здесь Eкр – модуль упругости материала крепи (набрызгбетона), МПа; u1 – смещения породных обнажений скважины, вызванные изменением напряжений при бурении скважины, R ⋅ (λ ⋅ γ ⋅ h − σ(t1 )) , м, (3) u1 = 2 ⋅ Gt1 здесь Gt1 – временная функция модуля сдвига породы, Et E Gt 1 = , МПа, = 2 ⋅ (1 + μ t ) 3 ⋅ (1 + Ф1 ) + 2 ⋅ μ − 1 здесь E – модуль упругости породы, МПа; μ – коэффициент Пуассона породы; Ф1 – функция ползучести, δ * ⋅t11−α* , Ф1 = 1− α* здесь δ*, α* – постоянные ползучести; t1 – время, в течение которого происходит изменение напряжений на величину Δσ1 = λ ⋅ γ ⋅ h − σ(t1 ) , t1 = t бур + t подг , сут., здесь tбур – продолжительность бурения от глубины рассматриваемого сечения h до проектной глубины скважины H, H −h , сут., t бур = vбур здесь vбур – техническая скорость бурения скважины, м/сут.; tподг – продолжительность подготовительного периода по переходу от бурения скважины к ее откачке и креплению, сут.;

16

λ

– коэффициент бокового давления в массиве пород, принимаемый согласно приложения к СНиП II-94-80, 2

⎛ h ⎞ ⎛ h ⎞ ⎟⎟ ⋅ ⎜⎜ 3 − 2 ⋅ ⎟⎟ ⋅ (1 − λ o ) , (4) λ = λ o + ⎜⎜ H H ⎝ п⎠ ⎝ п ⎠ здесь Hп, λо – расчетные значения показателей; γ – удельный вес вмещающих пород, кН/м3; σ(t1) – устанавливаемое напряжение в породном массиве в результате изменения напряжений при бурении скважины, ⎛ t ⎞ σ(t1 ) = γ p ⋅ h + (λ ⋅ γ ⋅ h − γ p ⋅ h )⋅ exp⎜⎜ − 1 ⎟⎟ , МПа, (5) t ⎝ o⎠ здесь γр – удельный вес бурового раствора, кН/м3; tо – время релаксации, характеризующее скорость уменьшения напряжений при постоянной деформации, сут.; u2 – смещения породных обнажений скважины, вызванные снимаемыми напряжениями при замене бурового раствора на воду, R ⋅ (σ(t1 ) − σ(t 2 )) , м, (6) u2 = 2 ⋅ Gt 2 здесь Gt 2 =

E

3 ⋅ (1 + Ф2 ) + 2 ⋅ μ − 1

, МПа;

δ * ⋅(t1 + t 2 ) Ф2 = , 1− α * здесь t2 – время, в течение которого, в случае необходимости, происходит замена бурового раствора на воду, сут.; σ(t2) – устанавливаемое напряжение в породном массиве в результате снятия напряжений при замене бурового раствора на техническую воду, 1− α*

u3

⎛ t ⎞ σ(t 2 ) = γ в ⋅ h + (σ(t1 ) − γ в ⋅ h ) ⋅ exp⎜⎜ − 2 ⎟⎟ , МПа, ⎝ to ⎠ здесь γв – удельный вес воды, кН/м3; – смещения породных обнажений скважины, вызванные снимаемыми напряжениями при откачке скважины,

17

u3 =

R ⋅ (σ(t 2 ) − σ(t 3 )) , м, 2 ⋅ Gt 3

здесь Gt 3 =

(7)

E , МПа; 3 ⋅ (1 + Ф3 ) + 2 ⋅ μ − 1

δ * ⋅(t1 + t 2 + t 3 ) , Ф3 = 1− α* здесь t3 – время, в течение которого происходит откачка скважины до глубины рассматриваемого сечения h, сут., h , сут., t3 = vотк 1− α*

здесь vотк – скорость откачки скважины, м/сут.; σ(t3) – устанавливаемое напряжение в породном массиве в результате снятия напряжений при откачке скважины, ⎛ t ⎞ σ(t 3 ) = σ(t 2 ) ⋅ exp⎜⎜ − 3 ⎟⎟ , МПа; ⎝ to ⎠ u4 – смещения породных обнажений скважины, вызванные отставанием возведения крепи скважины (величина смещений породных обнажений незакрепленного участка скважины), R ⋅ (σ(t 3 ) − σ(t 4 )) , м, (8) u4 = 2 ⋅ Gt 4 здесь Gt 4 =

E

3 ⋅ (1 + Ф4 ) + 2 ⋅ μ − 1

, МПа;

δ * ⋅(t1 + t 2 + t 3 + t 4 ) , Ф4 = 1− α * здесь t4 – время, в течение которого остается незакрепленным участок скважины L, определяемый условиями размещения технологического оборудования, сут., L , сут.; t4 = v кр 1− α*

здесь vкр – скорость крепления скважины, м/сут.; σ(t4) – устанавливаемое напряжение в породном массиве в результате снятия напряжений на незакрепленном участке скважины,

18

⎛ t ⎞ σ(t 4 ) = σ(t 3 ) ⋅ exp⎜⎜ − 4 ⎟⎟ , МПа; ⎝ to ⎠ u5 – смещения породных обнажений скважины, вызванные отпором анкерной крепи, R (9) u5 = ⋅ Pкранк , м, 2 ⋅ Gt 5 здесь Gt 5 =

E ⋅β = Gt 4 ⋅ β , МПа, 3 ⋅ (1 + Ф4 ) + 2 ⋅ μ − 1

здесь β

– отношение модуля деформации слоя пород, укрепленного анкерами, к модулю деформации пород E; u6 – смещения породных обнажений скважины, вызванные отпором набрызг-бетонной крепи, R ⋅ Pкрн.−б . , м. (10) u6 = 2 ⋅ Gt 5 Подставляя полученные выражения (2)-(3), (6)-(10) в уравнение (1), и принимая во внимание что Pкр = Pкранк + Pкрн.−б . , после несложных преобразований получим следующую зависимость для определения давления пород на крепь λ ⋅ γ ⋅ h − σ(t1 ) σ(t1 ) − σ(t 2 ) σ(t 2 ) − σ(t 3 ) σ(t 3 ) − σ(t 4 ) + + + 2 ⋅ Gt 1 2 ⋅ Gt 2 2 ⋅ Gt 3 2 ⋅ Gt 4 , МПа, Pкр = Aкр 1 + 2 ⋅ Gкр 2 ⋅ Gt 4 ⋅ β записываемую также в виде u Pкр = , МПа, Aкр 1 + 2 ⋅ Gкр 2 ⋅ Gt 4 ⋅ β где u

(11)

– суммарные смещения породных обнажений скважины единичного радиуса (R = 1,0 м) с момента ее бурения до момента ее крепления, включающие в себя смещения породных обнажений скважины u1, вызванные изменением напряжений при бурении скважины, смещения породных обнажений скважины u2, вызванные снимаемыми напряжениями при замене бурового раствора на техническую воду, смещения породных обнажений скважины u3, вызванные снимаемыми напряжениями при

19

откачке скважины, и смещения породных обнажений скважины u4, вызванные отставанием возведения крепи скважины, λ ⋅ γ ⋅ h − σ(t1 ) σ(t1 ) − σ(t 2 ) σ(t 2 ) − σ(t 3 ) σ(t 3 ) − σ(t 4 ) + + , м. (12) + u= 2 ⋅ Gt1 2 ⋅ Gt 2 2 ⋅ Gt 3 2 ⋅ Gt 4 Для разработки технологии крепления скважин рассмотрим, как влияет изменение физико-механических характеристик горных пород и технологических параметров на величину суммарных смещений породных обнажений скважины единичного радиуса (R = 1,0 м) с момента ее бурения до момента ее крепления u, определяемую по формуле (12), для чего зададимся эталонными значениями суммарных смещений породных обнажений скважины единичного радиуса, вычисленными для средних условий для Российского Донбасса, приведенных в табл. 2 при условии крепления скважины после откачки бурового раствора на полную глубину H и скоростях бурения vбур, откачки vотк и крепления скважины vкр, равных vбур = vотк = vкр = 3,0 м/сут. Примеры графиков смещений по глубине скважины показаны на рис. 6 (сплошные линии для минимальных и пунктирные линии для максимальных значений времени релаксации). Таблица 2 Физико-механические свойства коренных пород Российского Донбасса Предел прочности, МПа Наименование породы

Удельный вес γ, кН/м3

Модуль деформации E⋅10-4, МПа

Угол внутреннего трения ϕ, град.

Коэффициент Пуассона

на сжатие σсж

на растяжение σр

на срез τп

Известняк

2,48 − 3,03 50 − 124

4 − 14,5

16 − 20

2,3 − 6,5

30 − 50

8,9

18

4,26

39,5

Песчаник

2,32 − 3,58 32,5 − 286 1,5 − 42

3 − 35

1,52 − 7,2

13,5

17,2

4,12

27,6

0,16

Сланец глинистый Сланец песчаный Сланец песчанистый

2,39 − 3,67 12 − 112

1 − 19,5

2,5 − 15,5

0,2 − 5,9

22 − 38

0,1 − 0,33

7,8

10,3

2,33

27,6

0,22

1 − 29

2,5 − 15

0,3 − 7,9

23 − 35

0,1 − 0, 45

9,4

11,6

3,34

27,7

0,29

4 − 22,5

15 − 46

0,5 − 9,1

22 − 28

0,12 − 0,29

12,8

28,4

3,04

25

0,186

2,72 2,74 2,86

83 101,6 50,9

2,61 − 3,12 11 − 150 2,77

67,6

2,67 − 3,32 36 − 253 2,86

99,8

–

25 − 31 0,09 − 0,25

Примечание: В числителе приведен интервал значений, в котором встречается данный параметр, а в знаменателе – его среднее значение.

20

а) смещения породных обнажений скважины u1, мм, вызванные изменением напряжений при бурении скважины Сланец глинистый слабый

0,00

0,00

-0,01

-0,01

-0,02

-0,01

-0,03

-0,02

-0,04

-0,02 0

25

50

75

100

Удельный вес бурового раствора, кН/м3

Расчетная величина смещений u1, мм

Сланец глинистый крепкий

0

Глубина скважины, м

50

75

100

Глубина скважины, м Песчаник

0,00

0,00

-0,01

-0,01

-0,02

Удельный вес бурового раствора, кН/м3

Сланец песчаный Расчетная величина смещений u1, мм

25

-0,02

-0,03 -0,04

-0,03

-0,05

-0,04

0

25

50

75

100

Глубина скважины, м

0

25

50

75

100

Глубина скважины, м

Рис. 6. Расчетная величина смещений породных обнажений скважины глубиной H = 100 м, полученная для средних значений параметров горных пород для условий Российского Донбасса при условии крепления скважины после откачки бурового раствора на полную глубину H и скоростях бурения vбур, откачки vотк и крепления скважины vкр, равных vбур = vотк = vкр = 3,0 м/сут: а) – смещения породных обнажений скважины u1, мм, вызванные изменением напряжений при бурении скважины; б) – смещения породных обнажений скважины u2, мм, вызванные снимаемыми напряжениями при замене бурового раствора на техническую воду; в) – смещения породных обнажений скважины u3, мм, вызванные снимаемыми напряжениями при откачке скважины; г) – смещения породных обнажений скважины u4, мм, вызванные отставанием возведения крепи скважины; д) – суммарные смещения породных обнажений скважины u, мм.

21

б) смещения породных обнажений скважины u2, мм, вызванные снимаемыми напряжениями при замене бурового раствора на техническую воду Сланец глинистый крепкий

Сланец глинистый слабый

0,003 0,002 0,001 0,000 -0,001 -0,002 -0,003 -0,004

0,015 0,010 0,005 0,000 0

25

50

75

100

Удельный вес бурового раствора, кН/м3

Расчетная величина смещений u2, мм

0,020

0

Глубина скважины, м

50

75

100

Глубина скважины, м

Сланец песчаный

Песчаник

0,012 0,010 0,008

0,015 0,010

Удельный вес бурового раствора, кН/м3

0,020 Расчетная величина смещений u2, мм

25

0,006 0,004 0,002 0,000

0,005 0,000 0

25

50

75

100

0

Глубина скважины, м

25

50

75

Глубина скважины, м

Продолжение рис. 6

22

100

в) смещения породных обнажений скважины u3, мм, вызванные снимаемыми напряжениями при откачке скважины Сланец глинистый слабый

0,06 0,05 0,04

0,045 0,040 0,035 0,030 0,025 0,020 0,015 0,010 0,005 0,000

0,03 0,02 0,01 0,00 0

25

50

75

100

Удельный вес бурового раствора, кН/м3

Расчетная величина смещений u3, мм

Сланец глинистый крепкий

0

Глубина скважины, м

50

75

100

Глубина скважины, м

Сланец песчаный

Песчаник

0,030 0,025 0,020

0,045 0,040 0,035 0,030 0,025 0,020 0,015 0,010 0,005 0,000

Удельный вес бурового раствора, кН/м3

Расчетная величина смещений u3, мм

25

0,015 0,010 0,005 0,000 0

25

50

75

100

0

Глубина скважины, м

25

50

75

Глубина скважины, м

Продолжение рис. 6

23

100

г) смещения породных обнажений скважины u4, мм, вызванные отставанием возведения крепи скважины Сланец глинистый крепкий

Сланец глинистый слабый

0,012 0,010 0,008

0,004 0,003

Удельный вес бурового раствора, кН/м3

Расчетная величина смещений u4, мм

0,005

0,006 0,004 0,002 0,000

0,002 0,001 0,000 0

25

50

75

100

0

Глубина скважины, м

50

75

100

Глубина скважины, м

Сланец песчаный

Песчаник

0,0006 0,0005 0,0004

0,0010

Удельный вес бурового раствора, кН/м3

0,0015 Расчетная величина смещений u4, мм

25

0,0003 0,0002 0,0001 0,0000

0,0005 0,0000 0

25

50

75

100

0

Глубина скважины, м

25

50

75

Глубина скважины, м

Продолжение рис. 6

24

100

д) суммарные смещения породных обнажений скважины u, мм Сланец глинистый крепкий

Сланец глинистый слабый

0,035 0,030 0,025 0,020 0,015 0,010 0,005 0,000

0,03 0,02 0,01 0,00 0

25

50

75

Удельный вес бурового раствора, кН/м3

Расчетная величина смещений u, мм

0,04

0

100

Глубина скважины, м

50

75

100

Глубина скважины, м Песчаник

0,020

0,010

0,015

0,008

Удельный вес бурового раствора, кН/м3

Сланец песчаный Расчетная величина смещений u, мм

25

0,006

0,010

0,004

0,005

0,002

0,000

0,000 0

25

50

75

100

0

Глубина скважины, м

25

50

75

Глубина скважины, м

Продолжение рис. 6

25

100

Анализируя результаты, полученные по уравнению (12), можно заметить, что с увеличением удельного веса бурового раствора до определенной глубины скважины происходит увеличение величины суммарных смещений незакрепленного породного контура сечения скважины после откачки 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 u, мм, наблюдается при минимальных значениях удельного веса бурового раствора (γр = 10,0 кН/м3 – вода). Данную зависимость можно объяснить следующим: согласно изложенному выше при бурении скважины происходит изменение радиальных напряжений на поверхности скважины и установление нового напряженнодеформированного состояния. Действовавшие в ненарушенном массиве напряжения σ r = λ ⋅ γ ⋅ h , МПа, замещаются напряжениями, равными σ(t1), МПа, определяемыми по формуле (5), из которой вытекает, что при коэффициенте бокового давления в массиве пород λ больше значений, определяемых выражением γp λ= , (13) γ в результате релаксации будет происходить снятие напряжений вокруг скважины на величину Δσ = λ ⋅ γ ⋅ h − γ p ⋅ h , МПа, а при значениях коэффициента бокового давления в массиве пород λ меньше значений, определяемых выражением (13) – увеличение напряжений на величину Δσ = γ p ⋅ h − λ ⋅ γ ⋅ h , МПа. Расчетная глубина перехода от увеличения напряжений при бурении скважины к их снятию для различных пород для средних условий Российского Донбасса приведена в табл. 3. Полученный результат можно трактовать следующим образом: область неупругих деформаций в приконтурном массиве скважины большого диаметра в период бурения в исследуемых породах возникает при глубинах, превышающих глубины, указанные в табл. 3. На глубинах меньше указанных в приконтурном массиве скважины в период бурения наблюдается увеличение среднего напряжения σ2, что оказывает упрочняющее действие, а, следовательно, приводит к увеличению устойчивости породных обнажений скважины, и развитие области неупругих деформаций не наблюдается.

26

Таблица 3 Расчетная глубина перехода от увеличения напряжений при бурении скважины к их снятию

Литологический состав пород

10,00

Удельный вес бурового раствора γр, кН/м3 11,00 12,00 13,00

14,00

Сланец глини400 450 500 550 600 стый Сланец песчано650 750 800 850 900 глинистый Сланец песчаный 950 свыше 1000 свыше 1000 свыше 1000 свыше 1000 Сланец песчани900 1000 свыше 1000 свыше 1000 свыше 1000 стый Песчаник свыше 1000 свыше 1000 свыше 1000 свыше 1000 свыше 1000

Таким образом, развитие смещений при откачке скважины до определенной глубины скважины происходит при горизонтальной составляющей поля напряжений массива, превышающей первоначальные напряжения в массиве, причем величина образовавшихся напряжений в массиве во время бурения тем выше, чем больше удельный вес бурового раствора, и может быть определена по формуле σ r = λ ⋅ γ ⋅ h + Δσ = λ ⋅ γ ⋅ h + γ p ⋅ h − λ ⋅ γ ⋅ h = γ p ⋅ h , МПа. Максимально возможная величина смещений породных обнажений скважины может быть определена по следующим формулам: − при глубинах скважин меньше указанных в табл. 3 R⋅γp ⋅h R R u= ⋅ (σ н − σ к ) = ⋅ (γ p ⋅ h − 0 ) = , м; 2 ⋅ Gt 2 ⋅ Gt 2 ⋅ Gt −

при глубинах скважин больше указанных в табл. 3 R R R⋅λ⋅γ ⋅h u= ⋅ (σ н − σ к ) = ⋅ (λ ⋅ γ ⋅ h − 0 ) = , м. 2 ⋅ Gt 2 ⋅ Gt 2 ⋅ Gt

Рассмотрим влияние изменения физико-механических характеристик горных пород и технологических параметров на величину суммарных смещений породных обнажений скважины единичного радиуса (R = 1,0 м) с момента ее бурения до момента ее крепления u, мм. По графикам, представленным на рис. 6 видно, что величины суммарных смещений породных обнажений скважины u, полученные для минимальных и максимальных значений времени релаксации, отличаются между собой. Величины максимальных значений суммарных смещений породных обнажений скважины единичного радиуса (R = 1,0 м) u, мм, оп-

27

ределенные по формуле (12) для различных горных пород и глубин скважин для указанных выше физико-механических характеристик горных пород и технологических параметров, с высокой степенью точности описываются следующими функциональными зависимостями: − для сланцев глинистых крепких (коэффициент корреляции R2 = 0,9998) u max = 1 ⋅ 10 −6 ⋅ H 2 + 7 ⋅ 10 −5 ⋅ H + 0,0116 , мм; −

для сланцев глинистых (коэффициент корреляции R2 = 0,9998) u max = 1 ⋅ 10 −6 ⋅ H 2 + 1 ⋅ 10 −6 ⋅ H + 0,0280 , мм;

−

для сланцев песчаных (коэффициент корреляции R2 = 0,9996) u max = 5 ⋅ 10 −7 ⋅ H 2 + 6 ⋅ 10 −6 ⋅ H + 0,0169 , мм;

−

для песчаников (коэффициент корреляции R2 = 0,9994) u max = 3 ⋅ 10 −7 ⋅ H 2 − 3 ⋅ 10 −5 ⋅ H + 0,0119 , мм.

Произведенный анализ показывает, что величины максимальных значений суммарных смещений породных обнажений скважины единичного радиуса u, мм, в зависимости от изменения свойств горных пород и скорости выполнения различных технологических операций с высокой степенью точности описываются следующими зависимостями: 1. В зависимости от величины коэффициента Пуассона μ: − для сланцев глинистых крепких (коэффициент корреляции R2 = 0,9999)

(

)

u max = 1 ⋅ 10 −6 ⋅ H 2 − 2 ⋅ 10 −6 ⋅ H + 0,0221 ⋅ μ + + 1 ⋅ 10 −6 ⋅ H 2 + 1 ⋅ 10 −5 ⋅ H + 0,0228 , мм; −

для сланцев глинистых слабых (коэффициент корреляции R2 = 0,9999)

(

)

u max = 1 ⋅ 10 −6 ⋅ H 2 + 2 ⋅ 10 −7 ⋅ H + 0,0212 ⋅ μ + + 1 ⋅ 10 −6 ⋅ H 2 − 6 ⋅ 10 −6 ⋅ H + 0,0235 , мм; −

для сланцев песчаных (коэффициент корреляции R2 = 0,9994)

(

)

u max = 3 ⋅ 10 −7 ⋅ H 2 − 2 ⋅ 10 −5 ⋅ H + 0,0137 ⋅ μ + + 4 ⋅ 10 −7 ⋅ H 2 + 1 ⋅ 10 −5 ⋅ H + 0,0129 , мм; −

для песчаников (коэффициент корреляции R2 = 0,9991)

(

)

u max = 2 ⋅ 10 −7 ⋅ H 2 − 3 ⋅ 10 −5 ⋅ H + 0,0107 ⋅ μ + + 2 ⋅ 10 −7 ⋅ H 2 − 3 ⋅ 10 −5 ⋅ H + 0,0102 , мм.

28

2. В зависимости от величины модуля деформации породы E, МПа (коэффициент корреляции R2 = 1,0): E ср u (E ) = ⋅ u (E ср ) , мм. E 3. В зависимости от величины скорости выполнения различных технологических операций v, м/сут.: − для сланцев глинистых крепких (коэффициент корреляции R2 = 0,9613)

(

)

u max = 6 ⋅ 10 −8 ⋅ H 1, 4935 ⋅ v 2 − 2 ⋅ 10 −8 ⋅ H 2 + 9 ⋅ 10 −7 ⋅ H + 0,0004 ⋅ v + + 1 ⋅ 10 −6 ⋅ H 2 + 2 ⋅ 10 −5 ⋅ H + 0,0281 , мм; −

для сланцев глинистых слабых (коэффициент корреляции R2 = 0,9857)

(

)

(

u max = 3 ⋅ 10 −9 ⋅ H 2 − 2 ⋅ 10 −8 ⋅ H − 0,0003 ⋅ v 2 − 3 ⋅ 10 −8 ⋅ H 2 − 8 ⋅ 10 −5 ⋅ H + + 0,0024 ) ⋅ v + 1 ⋅ 10 −6 ⋅ H 2 − 3 ⋅ 10 −5 ⋅ H + 0,0386 , мм; −

для сланцев песчаных (коэффициент корреляции R2 = 0,9992)

(

)

(

u max = 8 ⋅ 10 −10 ⋅ H 2 + 2 ⋅ 10 −6 ⋅ H − 0,0001 ⋅ v 2 − 9 ⋅ 10 −9 ⋅ H 2 + 2 ⋅ 10 −5 ⋅ H − − 0,0010 ) ⋅ v + 5 ⋅ 10 −7 ⋅ H 2 + 5 ⋅ 10 −5 ⋅ H + 0,0148 , мм; −

для песчаников (коэффициент корреляции R2 = 0,9342)

(

)

(

u max = 8 ⋅ 10 −11 ⋅ H 2 + 1 ⋅ 10 −7 ⋅ H − 1 ⋅ 10 −5 ⋅ v 2 − 4 ⋅ 10 −10 ⋅ H 2 + 2 ⋅ 10 −6 ⋅ H − − 0,0002 ) ⋅ H + 3 ⋅ 10 −7 ⋅ H 2 − 3 ⋅ 10 −5 ⋅ H + 0,0117 , мм. 4. В зависимости от величины отставания крепи L – для сланца глинистого слабого при глубине скважины H < 300 м (коэффициент корреляции R2 = 0,9730)

(

)

(

u max = − 2 ⋅ 10 −11 ⋅ H 2 + 1 ⋅ 10 −8 ⋅ H − 2 ⋅ 10 −6 ⋅ L2 − 2 ⋅ 10 −9 ⋅ H 2 − 1 ⋅ 10 −6 ⋅ H + + 0,0002 ) ⋅ L + 7 ⋅ 10 −7 ⋅ H 2 + 0,0003 ⋅ H − 0,0111 , мм, где μ Eср E v L

– – – – –

коэффициент Пуассона породы; среднее значение модуля деформации горных пород, МПа; модуль деформации породы, МПа. скорость выполнения технологических операций, м/сут.; величина незакрепленного участка скважины (отставание крепи от уровня бурового раствора), м. Произведенные исследования позволили получить упрощенную приближенную формулу определения суммарных смещений породных протяженного участка скважины единичного радиуса u для средних значе-

29

ний параметров горных пород для условий Российского Донбасса при условии крепления скважины после откачки бурового раствора на всю глубину и скоростях операций равных vбур = vотк = vкр = 3,0 м/сут. (коэффициент корреляции не менее R2 = 0,9928) h u = k1 ⋅ k 2 ⋅ k 3 ⋅ k 4 ⋅ A ⋅ H 2 + B ⋅ H + C ⋅ E ⋅ , м, (14) H где k1 – коэффициент, учитывающий изменение времени релаксации горных пород, принимаемый равным k1 = 1,05; k2 – коэффициент, учитывающий изменение коэффициента Пуассона горных пород, принимаемый равным k2 = 1,1; k3 – коэффициент, учитывающий скорость выполнения технологических операций, принимаемый согласно табл. 4;

(

)

Таблица 4 Значение коэффициента k3

Литологический состав пород Сланец глинистый крепкий Сланец глинистый слабый, H < 400 м Сланец глинистый слабый, H > 400 м Сланец песчаный Песчаник

Значение коэффициента k3, при скорости технологических операций, м/сут. 1,0 3,0 5,0 1,028 1,000 0,994 1,125 1,000 0,940 1,033 1,000 0,990 1,100 1,000 0,978 1,020 1,000 1,000

k4

– коэффициент, учитывающий величину отставания возведения крепи, принимаемый равным k4 = 0,8 для случая крепления скважины вслед за откачкой бурового раствора при глубине скважины до 100 м, расположенной в сланцах глинистых слабых, и k4 = 1,0 – для всех остальных случаев. A, B, C – расчетные параметры, учитывающие параметры вмещающих пород и проектную глубину скважины H, принимаемые согласно табл. 5. Таблица 5 Расчетные параметры A, B, C

Литологический состав пород Сланец глинистый Сланец песчаный Песчаник

A 5,433⋅10–14 1,497⋅10–14 7,282⋅10–15

30

Расчетные параметры B C –14 5,150⋅10 1,202⋅10–9 1,797⋅10–13 5,060⋅10–10 – 7,282⋅10–13 2,888⋅10–10

Для определения параметров набрызг-бетонной крепи воспользуемся полученным уравнением (11), имеющим два решения: по известным нагрузкам на крепь можно определить необходимую толщину крепи, возводимой из набрызг-бетона данного класса по прочности на одноосное сжатие, и, задаваясь параметрами набрызг-бетонной крепи (толщина крепи и класс бетона по прочности на сжатие), можно определить нагрузку на крепь. Определение толщины крепи по формуле (11) производится следующим образом. Вначале необходимо задаться возможной толщиной крепи δ ′ , м, и, пользуясь выражением (11), определить величину давления пород на крепь Pкр, МПа, а затем следует определить толщину крепи, сопоставить ее с предполагаемой и при необходимости повторить вычисления. Для набрызг-бетонной крепи полученное уравнение (11) для определения величины давления пород на крепь с учетом требований СНиП 2.03.01-84 можно записать в следующем виде u Pкр = , м. (15) 2 ⎛ R ⎞ 0,75 ⋅ ⎜ ⎟ + 1,25 1 ⎝ R − δ′ ⎠ + ⎛⎛ R ⎞2 ⎞ 2 ⋅ Gt 4 ⋅ β E кр ⋅ ⎜ ⎜ − 1⎟ ⎟ ⎜ ⎝ R − δ′ ⎠ ⎟ ⎝ ⎠ Толщину набрызг-бетонной крепи рекомендуется определять по известной формуле ВНИМИ для определения толщины крепи вертикальных выработок по заданным нагрузкам на крепь (в основе формулы положена первая модификация второй основной расчетной схемы)

⎛ ⎞ m б1 ⋅ m б 3 ⋅ m б 7 ⋅ Rсж δ = m y ⋅ Rсв ⋅ ⎜ − 1⎟ , м, (16) ⎜ m б1 ⋅ m б 3 ⋅ m б 7 ⋅ Rсж − 2 ⋅ Pкр ⎟ ⎝ ⎠ где mу – коэффициент условий работы крепи, принимаемый равным mу = 1,25; Rсв – радиус скважины в свету, Rсв = R − δ , м; mб1 – коэффициент, учитывающий длительность действия нагрузки (многократно повторяющаяся нагрузка), принимаемый равным mб1 = 1,0;

31

mб3 – коэффициент, учитывающий условия набора бетоном прочности (бетонирование в вертикальном состоянии), принимаемый равным mб3 = 0,85; mб7 – коэффициент, учитывающий температурный фактор (эксплуатация защищенных от солнечной радиации конструкций), принимаемый равным mб7 = 0,85; Rсж – расчетное сопротивление материала крепи (набрызг-бетона) одноосному сжатию, МПа. Приведенное уравнение (16) по своей записи соответствует уравнению для расчета толщины набрызг-бетонной крепи, приведенному в СНиП II-94-80. Основные отличия заключаются в следующем: 1. В связи с тем, что набрызг-бетонная крепь чувствительна к деформациям ползучести горных пород, определение величины давления пород на крепь производится с учетом изменения напряженнодеформированного состояния горных пород во времени, что позволяет произвести расчет толщины набрызг-бетонной крепи с большей достоверностью. 2. При определении толщины набрызг-бетонной крепи не учитывается толщина породобетонной оболочки, образующейся за счет проникновения бетона в окружающие нарушенные породы, так как при бурении скважин создается гладкое породное обнажение, обеспечивающее проникновение цементно-песчаного раствора в трещины на глубину не более нескольких миллиметров, что подтверждается результатами натурных исследований.

Определение зоны неупругих деформаций пород на незакрепленном участке скважины между ранее возведенной крепью и уровнем откачиваемого бурового раствора 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 равнокомпонентном начальном напряженном состоянии массива, что идет в запас прочности (устойчивости) скважины.

32

Согласно вышеизложенному при бурении скважины происходит изменение радиальных напряжений на поверхности скважины. Действовавшие в ненарушенном массиве напряжения σ r = λ ⋅ γ ⋅ h , МПа, замещаются напряжениями, равными σ(t1), МПа, определяемыми по формуле (5). Установление при бурении скважины в приконтурном массиве напряжений, примерно равных гидростатическому давлению бурового раствора σ′r = γ p ⋅ h , МПа, вместо первоначальных напряжений σ r = λ ⋅ γ ⋅ h , МПа, действовавших в ненарушенном массиве, происходит за период времени равный t ≈ 3 ⋅ t o , сут. (см. графики на рис. 7), что составит для пород Российского Донбасса: сланец глинистый слабый – 60-81 сут.; сланец глинистый крепкий – 9-21 сут.; сланец песчаный – 6-9 сут.; песчаник – 3-6 сут. Учитывая, что продолжительность бурения скважины значительно больше приведенных выше значений, для упрощения дальнейших расчетов принимаем, что при бурении скважины устанавливаются напряжения, равные гидростатическому давлению бурового раствора σ′r = γ p ⋅ h , МПа.

Отношение (σ(t) – γp ⋅ h) / (γp ⋅ h), %

40 30 20

7 6

10

5

0

4

-10 0 3 2 -20 1 -30

1

2

3

4

5

-40 Отношение t / to Рис. 7. Графики изменения напряжений в приконтурном массиве скважины на период бурения в результате релаксации при различных значениях коэффициента бокового давления: γp γp γp γp 1 – при λ = 0,7 ⋅ ; 2 – при λ = 0,8 ⋅ ; 3 – при λ = 0,9 ⋅ ; 4 – при λ = 1,0 ⋅ ; γ γ γ γ γp γp γp 5 – при λ = 1,1 ⋅ ; 6 – при λ = 1,2 ⋅ ; 7 – при λ = 1,3 ⋅ γ γ γ

33

Расчетный фрагмент участка скважины и породного массива с указанием его геометрии приложенных силовых факторов по принятой схеме дополнительных напряжений показан на рис. 8, где h1 и h4 – глубина соответственно верхнего и нижнего расчетного поперечного сечения скважины от поверхности, м; hр – глубина расчетного сечения скважины от поверхности бурового раствора, м. z

σz Ркр hк

γр⋅h1 τxz

τyz τху

L

τух

hр

σх

X-R

τzу

σу

γр⋅hр γр⋅h4

R

Рис. 8. Расчетный фрагмент скважины с приложенными силовыми факторами и указанием ориентации действующих напряжений

0 х

τzх

у

На рис. 8 показаны следующие силовые факторы: «снимаемая» нагрузка от гидростатического давления бурового раствора, распределенная по линейному закону от величины γр⋅h4 в нижнем сечении скважины; реактивный отпор крепи Pкр; реактивный отпор бурового раствора с величиной γр⋅hр в нижнем сечении скважины. При расчетах были исключены из рассмотрения участки скважины, прилегающие к устью и забою скважины, как не представляющие для данной задачи практического интереса. В результате решения задачи для заданных точек поверхности ствола и приконтурного массива определялись компоненты тензора напряжений σx, σy, σz, τxy, τyz, τxz. Напряжения по октаэдрическим площадкам, используемые при определении границ области неупругих деформаций вокруг скважины, определяются по формулам

34

1 τокт = ⋅ 3

(σ х − σ у )2 + (σ у − σ z )2 + (σ z − σ х )2 + →

→ +6 ⋅ τ 2xy + 6 ⋅ τ 2yz + 6 ⋅ τ 2zx , МПа;

(17)

1 σ окт = ⋅ (σ х + σ у + σ z ), МПа. (18) 3 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 2 τ окт = А′ − В ′ ⋅ σ окт .

(19)

Для определения входящих в уравнение постоянных А′ и В ′ используются испытания на одноосное сжатие σcж, так как они являются наиболее доступным в техническом отношении прямым методом определения прочностных свойств горных пород. При испытании на одноосное сжатие при σ1 = σ 2 = 0 и σ 3 = −σ cж (здесь и в дальнейшем сжимающие напряжения принимаются отрицательными) имеем 1 2 2 2 2 τ окт = ⋅ (σ1 − σ 2 ) + (σ 2 − σ 3 ) + (σ 3 − σ1 ) = ⋅ σ cж , МПа; (20) 3 3 1 1 σ окт = ⋅ (σ1 + σ 2 + σ 3 ) = − ⋅ σ сж , МПа. (21) 3 3 Подставляя полученные выражения τокт и σокт в уравнение (19) получаем первое уравнение

35

2 2 1 ⋅ σ сж = А′ + ⋅ В ′ ⋅ σ сж . 9 3

(22)

σ1 − σ3 , для условия одноосного сжатия 2 = 2 ⋅ τ n . Подставляя полученное выражение σсж в уравнение

Используя выражение τп = получим σ сж (20) получаем

2 2⋅ 2 ⋅ σ сж = ⋅ τ n , МПа. (23) 3 3 σ + σ3 = τ n + σ 3 , для условия одноосИспользуя выражение σ n = 1 2 ного сжатия получим σ cж = τ n − σ п . Подставляя полученное выражение τ окт =

σcж в уравнение (21) получаем 1 1 σ окт = − ⋅ σ сж = − ⋅ (τ п − σ п ) , МПа. (24) 3 3 Подставляя полученные выражения (23) и (24) в уравнение (19) получаем уравнение 8 2 1 ⋅ τ п = А′ + В ′ ⋅ ⋅ (τ п − σ п ) , (25) 9 3 решением которого при σ n = 0 будет значение В ′ + В ′ 2 + 32 ⋅ А′ , МПа. τп = 16 3 Дифференцируя выражение (25) по σn, получаем уравнение dτ dτ 8 1 1 ⋅ 2 ⋅ τ п ⋅ п = ⋅ B′ ⋅ п − ⋅ В′ , 9 dσ п 3 dσ п 3

(26)

откуда, с учетом того, что при значении τn, определяемым выражением dτп = − tgϕ (где ϕ – угол наклона касательной к огибающей больших (26), dσ п кругов Мора), получаем выражение параметра В ′ 16 tgϕ B′ = ⋅ ⋅ τп , 3 1 + tgϕ которое для условия одноосного сжатия с учетом τ n =

36

σ сж принимает вид 2

8 tgϕ B′ = ⋅ ⋅ σ cж . 3 1 + tgϕ

(27)

Подставляем выражение (27) в уравнение (22), находим значение параметра А′ 2 1 − 3 ⋅ tgϕ 2 А′ = ⋅ ⋅ σ cж . (28) 9 1 + tgϕ Подставляя полученные выражения для коэффициентов А′ и В ′ в уравнение (19), записываем условие прочности окружающих горных пород 2 1 − 3 ⋅ tgϕ 2 8 tgϕ 2 ⋅ σ cж ⋅ σ окт . τ окт = ⋅ ⋅ σ cж − ⋅ (29) 9 1 + tgϕ 3 1 + tgϕ Таким образом, если имеющиеся для некоторой точки массива значения напряжений τокт и σокт в единицах γ ⋅ h подставить в условие (29) то, решая полученное уравнение, получим для данной точки массива значение параметра X, при котором точка переходит в область неупругих деформаций. Для этого выразим компоненты главных напряжений, входящие в уравнения (20)-(21), через напряжения в полярной системе координат для случая плоской деформации и осевой симметрии: ⎛ R2 ⎞ R2 ⎜ ⎟ σ1 = σ θ = − γ p ⋅ H p ⋅ ⎜1 + 2 ⎟ + q подп ⋅ 2 , МПа; X ⎠ X ⎝ σ 2 = − γ ⋅ h , МПа;

(30) (31)

⎛ R2 ⎞ R2 σ 3 = σ r = − γ p ⋅ H p ⋅ ⎜⎜1 − 2 ⎟⎟ − q подп ⋅ 2 , МПа, (32) X X ⎝ ⎠ где Hр – уровень бурового раствора в период бурения для рассматриваемого сечения скважины, м; X – относительная координата точки приконтурного массива по оси х (см. рис. 8), м; qподп – давление подпора, оказываемое на породное обнажение из скважины, МПа. Подставляя полученные формулы (30)-(32) в уравнения (20)-(21), получим следующие выражения: 4

1 2 2 ⎛ R ⎞ τ окт = ⋅ 2 ⋅ (γ ⋅ h − γ p ⋅ H p ) + 6 ⋅ (γ p ⋅ H p − q подп ) ⋅ ⎜ ⎟ , МПа; 3 ⎝X⎠ 1 σ окт = − ⋅ (γ ⋅ h + 2 ⋅ γ p ⋅ H p ), МПа, 3

37

подставляя которые в уравнение (29), записываем условие прочности окружающих горных пород

(γ ⋅ h − γ p ⋅ H p )

2

=

+ 3 ⋅ (γ p ⋅ H p − q подп )

2

4

⎛R⎞ ⋅⎜ ⎟ = ⎝X⎠

tgϕ 1 − 3 ⋅ tgϕ 2 ⋅ σ cж + 4 ⋅ ⋅ σ cж ⋅ (γ ⋅ h + 2 ⋅ γ p ⋅ H p ) . 1 + tgϕ 1 + tgϕ

Принимая во внимание влияние нарушенности массива, а также то, что при длительном воздействии напряжений происходит постепенное снижение прочности горных пород, произведем замену в полученном выражении предела прочности при одноосном сжатии σcж на расчетную прочность горной породы σрасч, определяемую по формуле σ расч = k дл ⋅ k c ⋅ σ сж , МПа, где kдл – коэффициент длительной прочности, учитывающий снижение прочности пород за счет длительного нагружения; kс – коэффициент структурного ослабления, учитывающий дополнительную нарушенность массива пород поверхностями без сцепления или с малой связностью.

(γ ⋅ h − γ p ⋅ H p )

2

=

+ 3 ⋅ (γ p ⋅ H p − q подп )

2

4

⎛R⎞ ⋅⎜ ⎟ = ⎝X⎠

1 − 3 ⋅ tgϕ 4 ⋅ tgϕ 2 ⋅ (k дл ⋅ k c ⋅ σ сж ) + ⋅ k дл ⋅ k c ⋅ σ сж ⋅ (γ ⋅ h + 2 ⋅ γ p ⋅ H p ) . 1 + tgϕ 1 + tgϕ

(33) Абсолютный размер области неупругих деформаций в радиальном направлении ΔR на глубине h, м, от земной поверхности определяется следующим выражением, полученным из уравнения (33) 3 ⋅ (γ p ⋅ H p − q подп )

ΔR = R ⋅ 4

→

1 − 3 ⋅ tgϕ 2 2 2 4 ⋅ tgϕ ⋅ k дл ⋅ k c ⋅ σ сж + ⋅ k дл ⋅ k c ⋅ σ сж ⋅ (γ ⋅ h + → 1 + tgϕ 1 + tgϕ

→ + 2 ⋅ γ p ⋅ H p ) − (γ ⋅ h − γ p ⋅ H p )

2

, м.

→

(34)

Для скважины, заполненной буровым раствором, давление подпора, оказываемое на породное обнажение из скважины qподп, МПа, определяется по формуле

38

q подп = γ p ⋅ h′p , МПа,

(35)

где h′p – уровень бурового раствора в период откачки (крепления) скважины для рассматриваемого сечения скважины, м. Подставляя формулу (35) в выражение (34) последнее можно записать для условий скважины, заполненной буровым раствором, в следующем виде 3 ⋅ γ p ⋅ (H p − h ′p ) ΔR = R ⋅ → 4 1 − 3 ⋅ tgϕ 4 ⋅ tg ϕ 2 2 ⋅ k дл ⋅ k c2 ⋅ σ сж + ⋅ k дл ⋅ k c ⋅ σ сж ⋅ (γ ⋅ h + → 1 + tgϕ 1 + tgϕ →

→ + 2 ⋅ γ p ⋅ H p ) − (γ ⋅ h − γ p ⋅ H p )

2

, м.

(36)

По выражению (36) построены номограммы для нахождения размеров зоны неупругих деформаций для различных значений удельного веса бурового раствора – γр = 10 кН/м3, 11,0 кН/м3, 12,0 кН/м3, 13,0 кН/м3, 14,0 кН/м3, представленные на рис. 9. Номограммы построены для среднего значения угла внутреннего трения пород, составляющего по результатам исследований 20°. Анализ построенных номограмм для нахождения размеров зоны неупругих деформаций показывает следующее: 1. При прочих равных параметрах наблюдается линейная зависимость размеров зоны неупругих деформаций от диаметра скважины в бурении D, м, выраженная следующим уравнением (коэффициент корреляции R2 = 1,0): 1 ΔR(D ) = ⋅ D ⋅ ΔRo , м, 2 где ΔRo – абсолютный размер зоны неупругих деформаций горных пород, м, вокруг скважины единичного радиуса (R = 1,0 м). 2. При прочих равных параметрах с ростом удельного веса бурового раствора γр, 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.

39

а) величина зоны неупругих деформаций при удельном весе бурового раствора γр = 10,0 кН/м3

Расчетная прочность пород σрасч, МПа 10

Диаметр скважины D, м 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0

30 50 70 90 110 130 170 210 250

100

0,3 0,6

90

0,9 1,2

75

1,5 1,8

50

2,1

25

2,4

0

2,7

Величина зоны неупругих деформаций ΔR, м

Уровень промывочной жидкости, в % от глубины скважины hр

200

400

600

800

1000

Глубина участка скважины h, м

Рис. 9. Номограммы определения зоны неупругих деформаций вокруг незакрепленного участка скважины, заполненного буровым раствором: а) удельный вес бурового раствора γр = 10,0 кН/м3; б) удельный вес бурового раствора γр = 11,0 кН/м3; в) удельный вес бурового раствора γр = 12,0 кН/м3; г) удельный вес бурового раствора γр = 13,0 кН/м3; д) удельный вес бурового раствора γр = 14,0 кН/м3;

40

б) величина зоны неупругих деформаций при удельном весе бурового раствора γр = 11,0 кН/м3

Расчетная прочность пород σрасч, МПа 10

Диаметр скважины D, м 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0

30 50 70 90 110 130 170 210 250

100

0,3 0,6

90

0,9 1,2

75

1,5

50

1,8 2,1 2,4

25

2,7 3,0

0

Величина зоны неупругих деформаций ΔR, м

Уровень промывочной жидкости, в % от глубины скважины hр

200

Продолжение рис. 9

41

400

600

800

Глубина участка скважины h, м

1000

в) величина зоны неупругих деформаций при удельном весе бурового раствора γр = 12,0 кН/м3

6,0

Диаметр скважины D, м 5,0 4,0 3,0 2,0

Расчетная прочность пород σрасч, МПа 10

1,0

30 50 70 90 110 130 170 210 250

100

0,3 0,6 0,9

90

1,2 1,5

75

1,8 2,1

50

2,4 2,7

25

Величина зоны неупругих деформаций ΔR, м

Уровень промывочной жидкости, в % от глубины скважины hр

200

3,0

0

Продолжение рис. 9

42

400

600

800

Глубина участка скважины h, м

1000

г) величина зоны неупругих деформаций при удельном весе бурового раствора γр = 13,0 кН/м3

6,0

Диаметр скважины D, м 5,0 4,0 3,0 2,0

Расчетная прочность пород σрасч, МПа 10

1,0

30 50 70 90 110 130 170 210 250

100

0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 2,4 2,7 3,0 3,3

90 75 50 25 0

Продолжение рис. 9

43

Величина зоны неупругих деформаций ΔR, м

Уровень промывочной жидкости, в % от глубины скважины hр

200

400

600

800

1000

Глубина участка скважины h, м

д) величина зоны неупругих деформаций при удельном весе бурового раствора γр = 14,0 кН/м3

6,0

Диаметр скважины D, м 5,0 4,0 3,0 2,0

Расчетная прочность пород σрасч, МПа 10

1,0

30 50 70 90 110 130 170 210 250

100

0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 2,4 2,7 3,0 3,3 3,6

90 75 50 25 0

Продолжение рис. 9

44

Величина зоны неупругих деформаций ΔR, м

Уровень промывочной жидкости, в % от глубины скважины hр

200

400

600

800

1000

Глубина участка скважины h, м

140 14,0 13,0 12,0 11,0 10,0

120 100 80 60 40 20 0 0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

Удельный вес бурового раствора, кН/м3

Размер зоны возможного вывалообразования скважины единичного радиуса (R = 1,0 м), м

Полученные по уравнению (36) выводы, согласно которым с увеличением удельного веса бурового раствора γр, кН/м3, происходит увеличение абсолютных размеров зоны неупругих деформаций вокруг незакрепленной скважины, подтверждают полученные ранее результаты, вытекающие из уравнения (12), – с увеличением удельного веса бурового раствора происходит увеличение величины суммарных смещений после откачки бурового раствора. Для приближенного определения абсолютных размеров области неупругих деформаций скважины единичного радиуса ΔRo, м, полученных по уравнению (36), рекомендуется использовать построенные графики, приведенные на рис. 10, размеров данной области от широко распространенного численного критерия устойчивости породных обнажений незакрепленных выработок γ⋅h . (37) K= σ расч

3,0

Критерий устойчивости K Рис. 10. Графики зависимости абсолютных размеров области неупругих деформаций ΔRo, м, от численного критерия устойчивости породных обнажений незакрепленной выработки K

Радиальные размеры области неупругих деформаций ΔR можно рассматривать как размеры области возможного разрушения и вывалообразования, которую необходимо «прошить» анкерами при возведении комбинированной набрызг-бетонной крепи, закрепив концы анкеров в не-

45

разрушенной части приконтурного массива, т.е. за пределами области неупругих деформаций (работа анкерной крепи осуществляется в соответствии с гипотезой подвешивания пород). Длину анкеров можно определить по следующей формуле l a = ΔR + l з + l в , м, (38) – величина заглубления анкера в устойчивую зону массива, м; – длина выступающей части анкера, зависящая от толщины опорно-поддерживающих элементов, м. Расчет величины зоны возможного вывалообразования рекомендуется определять по формуле ΔR = R ⋅ ΔRo , м, где lз lв

где ΔRo – абсолютный размер зоны возможного вывалообразования вокруг скважины единичного радиуса, м, принимаемый по графикам на рис. 10 в зависимости от критерия устойчивости, определяемого по формуле (37). Расчет величины заглубления анкеров lз производится на действие собственного веса подвешенных пород по формуле Pa ⎧ ; ⎪⎛ ⎞ l ⎪ ⎜ π ⋅ d a ⋅ 1 − 2 ⋅ l 3 ⎟ ⋅ τ б ⋅ m y1 ⎪ ⎟ l1 + l 2 l з = max ⎨ ⎜⎝ (39) ⎠ ⎪ Pa ⎪ , ⎪⎩ π ⋅ d шп ⋅ τ шп ⋅ m y 2 где Pа – нагрузка на анкер от собственного веса подвешенных пород, a ⋅ c ΔR ⋅ ⋅ (2 ⋅ R + ΔR ) ⋅ γ , кН, Pa = 2 R здесь a – расстояние между анкерами в ряду, м; с – расстояние между рядами анкеров, м; dа – диаметр арматурного стержня, м, принимаемый в зависимости от диаметра ослабленного сечения стержня, определяемого по выражению d1 > 2 ⋅

Pa , м, π ⋅ R p ⋅ m y3

здесь Rр – расчетное сопротивление материала стержня анкера растяжению, МПа;

46

my3 – коэффициент условий работы стержня анкера, принимаемый равным my3 = 0,9-1,0; l1 – шаг поперечных выступов на стержне анкера, м; l2 – ширина поперечных выступов на стержне анкера, м; l3 – ширина продольных ребер на стержне анкера, м; τб – расчетное сопротивление бетона срезу, МПа; my1 – коэффициент условий работы замка анкера, принимаемый равным при сухом шпуре my1 = 0,8 и при влажном – my1 = 0,6-0,7; dшп – диаметр шпура, м; τшп – удельное сопротивление срезу бетона относительно стенок шпура, МПа, определяемое по выражению ⎧τ б ; τ шп = min ⎨ ⎩τ п , здесь τп – расчетное сопротивление породы срезу, МПа; my2 – коэффициент условий работы замка анкера, принимаемый равным при сухом шпуре my2 = 0,9, при влажном – my2 = 0,75 и при капеже из шпура – my2 = 0,6. Произведенный анализ показывает, что величина параметра ΔR + l з na = , характеризующего удельный вес величины заглубления анΔR кера в его длине, колеблется в зависимости от диаметра и глубины скважины и типа вмещающих пород для условий Российского Донбасса в пределах 1,153-1,299, при среднем значении nа = 1,2. Рекомендуемые номера профилей арматурных стержней, принимаемых для железобетонных анкеров, полученные в результате проведенных исследований приведены на рис. 11.

Определения основных параметров технологии крепления скважин большого диаметра с опережающей откачкой бурового раствора и конструкции крепи На основании выполненных выше исследований разработаны последовательность и алгоритм (см. табл. 6) определения основных параметров технологии крепления скважин большого диаметра комбинированной набрызг-бетонной крепью в комбинации с железобетонными анкерами с опережающей откачкой бурового раствора и конструкции крепи, в соот-

47

Сланец глинистый Сланец песчаный Песчаник

D = 1,0 м

16

D = 2,0 м

16

D = 3,0 м

18

16

D = 4,0 м

18

16

D = 5,0 м

16

D = 6,0 м

16

20

18

20

22

25

18 20

22

25

28

18 20 22

25

28

D = 1,0 м

16

D = 2,0 м

16

D = 3,0 м

16

D = 4,0 м

18

16

D = 5,0 м

16

D = 6,0 м

18

16

18

20 16

D = 2,0 м

16

D = 3,0 м

16

D = 4,0 м

18

20

20

22

22

D = 1,0 м

25

16

D = 5,0 м

18

16

D = 6,0 м

Глубина скважины, м

32

18

16 0

18

20 20

22

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Рис. 11. Рекомендуемые номера профилей арматурных стержней по ГОСТ 10884-94 для железобетонных анкеров

ветствии с которыми проектные работы рекомендуется вести в следующей последовательности: 1. На основании данных геологического отчета по контрольной скважине выполняется анализ устойчивости породных стенок скважины в зависимости от физико-механических характеристик пересекаемых пород по глубине в соответствии с которым выбирается: длина кондуктора; вариант технологии крепления скважины (с предварительной откачкой бурового раствора на проектную глубину скважины или вслед за откачкой бурового раствора); критическое расстояние между рабочим полком и буровым раствором; оптимальная плотность бурового раствора и возможность замены бурового раствора водой после окончания бурения скважины; критическая скорость крепления.

48

2. Определяются размеры зоны неупругих деформаций вокруг незакрепленного технологического участка скважины, на основании которых производится расчет параметров анкерной крепи. 3. Рассчитывается удельное давление на постоянную набрызг-бетонную крепь скважины и определяются ее основные параметры, включая толщину и конструкцию крепи, марку набрызг-бетона по прочности, в зависимости от характеристик пересекаемых пород. Если устойчивость породных стенок скважины обеспечивается только анкерной крепью, то толщина набрызг-бетонной крепи принимается из условия предохранения обнажений пород от выветривания. В случае небольшого периода эксплуатации скважины (менее 10 лет) возможно ее крепление только анкерной крепью в сочетании с металлической сеткой, защищенной от коррозии. Таблица 6 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

Длина железо1 бетонных анкеров, м

l a = ΔR + l з + l в la ≥ 0,5 , м

Абсолютный размер области воз2 можного вывалообразования, м Критерий устойчивости породных 3 обнажений незакрепленной скважины

ΔR = R ⋅ ΔRo

K=

k дл

γ⋅h ⋅ k c ⋅ σ cж

Обозначение ΔR – абсолютный размер области возможного разрушения окружающего породного массива, м; lз – величина заглубления анкера в устойчивую зону массива пород, м; lв – длина выступающей части анкера, зависящая от толщины опорноподдерживающих элементов, м. R – радиус скважины в бурении, м; ΔRo – абсолютный размер зоны возможного вывалообразования вокруг скважины единичного радиуса, м, принимаемый по графикам на рис. 10 в зависимости от критерия устойчивости K.

γ – удельный вес вмещающих пород, кН/м3; h – глубина рассматриваемого сечения, м; kдл – коэффициент длительной прочности; kс – коэффициент структурного ослабления; σсж – предел прочности породы при одноосном сжатии, МПа.

49

Продолжение табл. 6

№ Параметр

Формула

Обозначение

⎧ ⎪⎛ ⎪⎜ π ⋅ d a ⎪ l з = max ⎨ ⎜⎝ ⎪ ⎪ ⎪⎩ π ⋅ d шп

5

6

⋅

⎞ l1 − 2 ⋅ l 3 ⎟⎟ ⋅ τ б ⋅ m y1 l1 + l 2 ⎠

Pa ⋅ τ шп ⋅ m y 2

Pа – нагрузка на анкер от собственного веса подвешенных пород, кН; dа – диаметр арматурного стержня, м, принимаемый в зависимости от диаметра ослабленного сечения стержня d1, м; l1 – шаг поперечных выступов на стержне анкера, м; l2 – ширина поперечных выступов на стержне анкера; l3 – ширина продольных ребер на стержне анкера, м; τб – расчетное сопротивление бетона срезу, МПа; my1 – коэффициент условий работы замка анкера, принимаемый равным при сухом шпуре my1 = 0,8 и при влажном – my1 = 0,6-0,7; dшп – диаметр шпура, м; τшп – удельное сопротивление срезу бетона относительно стенок шпура, МПа; my2 – коэффициент условий работы замка анкера, принимаемый равным при сухом шпуре my2 = 0,9, при влажном – my2 = 0,75 и при капеже из шпура – my2 = 0,6. a⋅c Pa = ⋅ R ⋅ ΔRo ⋅ (2 + ΔRo ) ⋅ γ 2

Величина заглубления анкера в 4 устойчивую зону массива пород, м

Нагрузка на анкер от собственного веса подвешенных пород, кН Диаметр ослабленного сечения стержня, м

Pa

a – расстояние между анкерами в ряду, м; с – расстояние между рядами анкеров по глубине скважины, м.

d1 > 2 ⋅

Pa π ⋅ R p ⋅ m y3

Rр – расчетное сопротивление материала стержня растяжению, МПа; my3 – коэффициент условий работы стержня анкера, принимаемый равным my3 = 0,91,0.

50

Продолжение табл. 6

№ Параметр Удельное сопротивление срезу бетона 7 относительно стенок шпура, МПа

Формула

Обозначение

⎧τ б τ шп = min ⎨ ⎩τ п

τп – расчетное сопротивление породы срезу, МПа.

u

Pкр =

8

Давление пород на крепь, МПа

2

⎛ R ⎞ 0,75 ⋅ ⎜ ⎟ + 1,25 1 ⎝ R − δ′ ⎠ + 2 ⎛⎛ R ⎞ ⎞ 2 ⋅ Gt 4 ⋅ β Eкр ⋅ ⎜ ⎜ ⎟ − 1⎟ ⎜ ⎝ R − δ′ ⎠ ⎟ ⎝ ⎠ Eкр – модуль упругости материала крепи (набрызг-бетона), МПа; u – суммарные смещения породных обнажений скважины единичного радиуса с момента ее бурения до момента ее крепления, м; δ ′ – принимаемая толщина набрызгбетонной крепи, м; Gt – временная функция модуля сдвига породы, МПа; β – отношение модуля деформации слоя пород, укрепленного анкерами, к модулю деформации пород E. h u = k1 ⋅ k 2 ⋅ k 3 ⋅ k 4 ⋅ A ⋅ H 2 + B ⋅ H + C ⋅ E ⋅ H k1 – коэффициент, учитывающий изменение времени релаксации горных пород, принимаемый равным k1 = 1,05; k2 – коэффициент, учитывающий изменение коэффициента Пуассона горных пород, принимаемый равным k2 = 1,1; k3 – коэффициент, учитывающий скорость выполнения технологических операций, принимаемый согласно табл. 4; k4 – коэффициент, учитывающий отставание возведения крепи, принимаемый равным k4 = 0,8 для крепления скважины вслед за откачкой бурового раствора при глубине скважины до 100 м, расположенной в сланцах глинистых слабых, и k4 = 1,0 – для всех остальных случаев;

(

9

Суммарные смещения породных обнажений скважины единичного радиуса, м

51

)

Продолжение табл. 6

№ Параметр

Временная функция модуля 10 сдвига породы, МПа

Толщина набрызг11 бетонной крепи, м

Формула

Обозначение A, B, C – расчетные параметры, принимаемые согласно табл. 5; H – проектная глубина скважины, м. E – модуль деформации породы, МПа. E Gt = 0,3 ⎞ ⎛ δ * ⎛⎜ H − h h L ⎞⎟ ⎟ ⎜ ⋅ + t подг + t зам + + 3 ⋅ ⎜1 + + 2 ⋅μ −1 v отк v кр ⎟⎠ ⎟⎟ ⎜ 0,3 ⎜⎝ v бур ⎠ ⎝ δ* – постоянная ползучести горной породы; vбур – техническая скорость бурения скважины, м/сут.; tподг – продолжительность подготовительного периода по переходу от бурения скважины к ее откачке и креплению, сут.; tзам – время, в течение которого происходит замена бурового раствора на техническую воду, сут.; vотк – скорость откачки скважины, м/сут.; L – величина отставания возведения крепи от откачки промывочной жидкости, м; vкр – скорость крепления скважины, м/сут.; μ – коэффициент Пуассона породы. ⎞ ⎛ mб1 ⋅ mб 3 ⋅ mб 7 ⋅ Rсж δ = m y ⋅ Rсв ⋅ ⎜ − 1⎟ ⎟ ⎜ mб1 ⋅ mб 3 ⋅ mб 7 ⋅ Rсж − 2 ⋅ Pкр ⎠ ⎝ δ ≥ δ′ mу – коэффициент условий работы крепи, принимаемый равным mу = 1,25; mб1 – коэффициент, учитывающий длительность действия нагрузки, принимаемый равным mб1 = 1,0; mб3 – коэффициент, учитывающий условия набора бетоном прочности, принимаемый равным mб3 = 0,85; mб7 – коэффициент, учитывающий температурный фактор, принимаемый равным mб7 = 0,85; Rсж – расчетное сопротивление материала крепи (набрызг-бетона) одноосному сжатию, МПа.

52

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ КРЕПЛЕНИЯ СКВАЖИН БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА НАБРЫЗГБЕТОННОЙ КРЕПЬЮ С ОПЕРЕЖАЮЩЕЙ ОТКАЧКОЙ БУРОВОГО РАСТВОРА Выбор и обоснование основных параметров технологических схем На основании выполненных исследований разработаны научнообоснованные технологические схемы ведения работ по предложенной технологии, предусматривающей 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: – вариант 1 – возведение постоянной крепи с предварительной откачкой бурового раствора на проектную глубину скважины; – вариант 2 – возведение постоянной крепи вслед за откачкой бурового раствора из скважины. 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 подвариантам возведения крепи: − подвариант 1 – выполнение цикла по креплению за одну заходку; − подвариант 2 – выполнение цикла по креплению за две заходки. Оба возможных варианта выполнения работ по креплению, 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. Выбор варианта откачки бурового раствора из скважины (предварительная откачка бурового раствора на проектную глубину скважины или откачка бурового раствора из скважины заходками с последующим креплением) производится в зависимости от горно-геологических условий.

53

Так, при креплении скважин, пройденных в крепких горных породах с коэффициентом крепости по шкале проф. М.М. Протодьяконова f > 9-10, для которых характерно незначительное развитие с глубиной зон неупругих деформаций, следует рассматривать возможность откачки бурового раствора на проектную глубину скважины с последующим креплением. В случае бурения скважин в горных породах с коэффициентом крепости по шкале проф. М.М. Протодьяконова f < 5-7, для которых возможно значительное развитие с глубиной зон неупругих деформаций, с целью уменьшения вывалообразования крепление скважин следует осуществлять вслед за откачкой бурового раствора. При креплении скважин глубиной H < 300 м, пройденных в горных породах с большим временем релаксации (например, сланец глинистый), в которых наблюдается зависимость горного давления на крепь от величины незакрепленного участка скважины (отставание возведения крепи скважины), рекомендуется крепление скважин с целью уменьшения расчетной толщины набрызг-бетонной крепи осуществлять вслед за откачкой бурового раствора. Разработанные технологические схемы предусматривают механизированное возведение набрызг-бетонной крепи и установку железобетонных анкеров в сочетании с металлической сеткой вручную с применением перфораторов типа ПП36В2. Работы по возведению крепи выполняются с подвесного полка. Возведение набрызг-бетонной крепи рекомендуется осуществлять сухим способом, позволяющим получить набрызг-бетон с большей прочностью и меньшими сроками схватывания, обеспечить большую дальность подачи материала и создавать слои большей толщины. Возведение набрызг-бетонной крепи может выполняться по следующим схемам: 1. С применением машин для набрызгбетонирования камерного исполнения типа БМC, установленных на поверхности у устья скважины. Подача сухой набрызг-бетонной смеси на полок осуществляется по подвешенным ставам бетонопроводов. 2. С применением машин для набрызгбетонирования камерного исполнения типа БМС, установленных на полке. Загрузка машин сухой смесью осуществляется на полке с применением контейнеров, подаваемых в скважину.

54

Технологические схемы, выполняемые по 1 варианту, предусматривают выполнение работ по возведению крепи в следующей последовательности (см. рис. 12). Цикл по креплению скважины начинается с перестановки подвесного полка на величину заходки. Перед началом нанесения набрызгбетонной крепи производится тщательный смыв глиняной корки с породных обнажений скважины с помощью водяных шлангов, подвешенных на канатах с земной поверхности, и оборка породных стенок скважины. После нанесения первого (выравнивающего) слоя набрызг-бетона и набора им предусмотренной проектом необходимой прочности, производится установка железобетонных анкеров в сочетании с металлической сеткой по нанесенному слою набрызг-бетона. Применяются анкера с полным заполнением шпуров вяжущим. Работы по установке анкеров выполняются в следующей последовательности. С поверхности к рабочему месту доставляется в бадьях буровой инструмент и производится его подсоединение на полке к воздушным и водяным шлангам. Бурение шпуров осуществляется через ранее возведенный слой набрызг-бетонной крепи. Шпуры бурятся стандартными коронками диаметром 43 мм заданной глубины, для чего на буровой штанге устанавливается ограничительное кольцо. В шпуры нагнетается бетонная смесь, и устанавливаются металлические штанги. Навеску металлической сетки, опорных плит и затяжку гаек осуществляют после установки всех анкеров в заходке. Порядок возведения анкерной крепи в пределах каждой заходки – сверху вниз. Бурение шпуров в ярусе производится с нижнего этажа полка, после чего его опускают на следующий ярус анкеров и так далее в пределах заходки, а заполнение шпуров бетонной смесью и установку металлических штанг – как с нижнего этажа полка, так и с верхнего. По мере освобождения рабочих от бурения и установки анкеров осуществляется погрузка в бадью бурового инструмента и выдача его на поверхность. Далее производится нанесение слоев набрызг-бетона до достижения проектной толщины крепи, после чего производится спуск полка на следующую заходку. Через каждые 12,0 м по глубине скважины производится наращивание трубопроводов для подачи сжатого воздуха и воды.

55

Раструб

56 1 Перестановка полка. 2 Нанесение слоев набрызгбетона до достижения проектной толщины крепи. Далее новая заходка.

Буровой раствор

Проходческий полок

Раструб

Фаза 3

Рис. 12. Технологическая схема возведения крепи по варианту 1

1 Перестановка полка. 2 Бурение шпуров и установка железобетонных анкеров. 3 Навеска металлической сетки, опорных плит и затяжка гаек.

1 Перестановка полка. 2 Смыв глиняной корки с породных обнажений скважины. 3 Нанесение первого (выравнивающего) слоя набрызгбетона.

Проходческий полок

Сетка

ПП-36В2 Раструб на П1К

Анкеры

Буровой раствор

Анкеры

Фаза 2

Буровой раствор

Проходческий полок

БМС-5

Фаза 1

Б М С-

Технологические схемы, выполняемые по 2 варианту, предусматривают выполнение работ по возведению крепи в следующей последовательности (см. рис. 13): 1. Фаза 1: − перестановка полка; − смыв глиняной корки с породных обнажений скважины и оборка породных стенок скважины на величину первой заходки; − нанесение первого (выравнивающего) слоя набрызг-бетона на величину первой заходки. 2. Фаза 2: − перестановка полка; − смыв глиняной корки с породных обнажений скважины и оборка породных стенок скважины на величину второй заходки; − нанесение первого (выравнивающего) слоя набрызг-бетона на величину второй заходки. 3. Фаза 3: − перестановка полка; − установка железобетонных анкеров на величину первой заходки; − навеска металлической сетки на величину первой заходки; − нанесение последующих слоев набрызг-бетона на величину первой заходки до достижения проектной толщины крепи. 4. Фаза 4: − перестановка полка; − установка железобетонных анкеров на величину второй заходки; − навеска металлической сетки на величину второй заходки; − нанесение последующих слоев набрызг-бетона на величину второй заходки до достижения проектной толщины крепи. Далее производится спуск полка на следующий участок и работы по возведению постоянной крепи повторяются. Через каждые 12,0 м по глубине скважины производится наращивание трубопроводов для подачи сжатого воздуха и воды. Выбор выполнения технологических схем по варианту 1 или 2 производится в зависимости от объемов выполняемых работ по нанесению первого (выравнивающего) слоя набрызг-бетонной крепи и может быть осуществлен по следующей формуле

57

58

Раструб

Раструб

Буровой раствор

Проходческий полок

БМС-5

1 Перестановка полка. 2 Смыв глиняной корки с породных обнажений скважины. 3 Нанесение первого (выравнивающего) слоя набрызгбетона.

Анкеры

Фаза 2

Буровой раствор

Проходческий полок

Сетка

ПП-36В2 Раструб на П1К

1 Перестановка полка. 2 Бурение шпуров и установка железобетонных анкеров. 3 Навеска металлической сетки, опорных плит и затяжка гаек.

Анкеры

Фаза 3

Рис. 13. Технологическая схема возведения крепи по варианту 2

1 Перестановка полка. 2 Смыв глиняной корки с породных обнажений скважины. 3 Нанесение первого (выравнивающего) слоя набрызгбетона.

Буровой раствор

Проходческий полок

БМС-5

Фаза 1

59

Раструб

Продолжение рис. 13

1 Перестановка полка. 2 Бурение шпуров и установка железобетонных анкеров. 3 Навеска металлической сетки, опорных плит и затяжка гаек.

1 Перестановка полка. 2 Нанесение слоев набрызгбетона до достижения проектной толщины крепи.

Проходческий полок

Сетка

ПП-36В2 Раструб на П1К

Раструб

Буровой раствор

Проходческий полок

БМС-5

Фаза 6

1 Перестановка полка. 2 Нанесение слоев набрызгбетона до достижения проектной толщины крепи. Далее новая заходка.

Анкеры

Буровой раствор

Анкеры

Фаза 5

Буровой раствор

Проходческий полок

БМС-5

Фаза 4

l ⎛1 t ⎞ t пр ≤ t н.б . + n1 ⋅ t п = ⎜⎜ + з ⎟⎟ ⋅ π ⋅ δ ⋅ (2 ⋅ R − δ ) ⋅ l зах ⋅ k отс + зах ⋅ t п , ч., l н.б . ⎝P Q⎠ где tн.б. – время, затрачиваемое на нанесение первого (выравнивающего) слоя набрызг-бетонной крепи на величину одной заходки, ч.; n1 – количество перестановок подвесного полка за время нанесения набрызг-бетона на величину одной заходки; tп – продолжительность однократной перестановки проходческого полка при набрызгбетонировании, ч.; P – техническая производительность машины по нанесению набрызг-бетонной крепи, м3/ч.; tз – продолжительность периода загрузки машины для набрызгбетонирования, ч.; Q – вместимость бункера машины для набрызгбетонирования, м3; lзах – величина заходки по креплению скважины, м; kотс – коэффициент отскока набрызг-бетона при нанесении; lн.б. – величина участка нанесения набрызг-бетона, м. Значения максимального времени набора проектной прочности первым (выравнивающим) слоем набрызг-бетонной крепи, допустимого для применения технологических схем крепления скважин по первому варианту приведены на графиках на рис. 14, построенных для машины для набрызгбетонирования типа БМС-5 при условии выполнения работ по нанесению набрызг-бетона двумя рабочими на участки высотой 1,4 м с максимальным отскоком набрызг-бетона равным 10% и продолжительностях однократной перестановки полка и периода загрузки машины для набрызгбетонирования, равных соответственно 10 мин. и 5 мин.

Сметная стоимость, продолжительность и трудоемкость крепления скважин большого диаметра по предложенным технологическим схемам крепления Трудоемкость работ по креплению скважины комбинированной набрызг-бетонной крепью в сочетании с железобетонными анкерами и металлической сеткой определяется по формуле Tкреп = 2,6704 ⋅ δ ⋅ (D − δ ) ⋅ l зах ⋅ k отс + 0,8168 ⋅ D ⋅ l зах +

(

)

+ 0,1059 ⋅ ΔR 2 + 0,1335 ⋅ ΔR + 2,7076 ⋅

60

ΔR ⋅ D ⋅ l зах , чел.-ч., a⋅c

б)

140 120 100 80 60 40 20 0

Время, мин.

Время, мин.

а)

0

5

10

175 150 125 100 75 50 25 0

15

0

Величина заходки lзах, м г)

225 200 175 150 125 100 75 50 25 0 0

5

10

15

0

е) Время, мин.

Время, мин.

250 200 150 100 50 0 5

10

5

10

15

Величина заходки lзах, м

300

0

15

250 225 200 175 150 125 100 75 50 25 0

Величина заходки lзах, м д)

10

Величина заходки lзах, м

Время, мин.

Время, мин.

в)

5

15

Величина заходки lзах, м

320 280 240 200 160 120 80 40 0 0

5

10

15

Величина заходки lзах, м

Рис. 14. Величина максимального времени набора проектной прочности первым (выравнивающим) слоем набрызг-бетонной крепи, допустимого для применения технологических схем крепления скважин по варианту 1 при толщине слоя 10 мм, 20 мм, 30 мм, 40 мм и 50 мм (снизу вверх) для диаметров скважины в бурении: а) – 1,0 м; б) – 2,0 м; в) – 3,0 м; г) – 4,0 м; д) – 5,0 м; е) – 6,0 м

61

описывающей изменение трудоемкости крепления участка скважины в зависимости от горно-геологических условий и технологических параметров скважины. Расчетная продолжительность крепления скважины по предложенному варианту крепления комбинированной набрызг-бетонной крепи определена по трудоемкости выполнения работ согласно СНиП IV-5-82. Сметная стоимость крепления скважины комбинированной набрызг-бетонной крепью в сочетании с железобетонными анкерами и металлической сеткой может быть приближенно определена по формуле C креп = π ⋅ δ ⋅ (D − δ ) ⋅ l зах ⋅ k отс ⋅ (Pн.б . + C б ) + ⎞ ⎛ P + ⎜ a + Pм.с. ⎟ ⋅ π ⋅ D ⋅ l зах , руб., ⎠ ⎝a⋅c где Рн.б.– расценка на нанесение 1,0 м3 набрызг-бетона, руб./м3; Сб – стоимость 1,0 м3 набрызг-бетона, руб./м3; Ра – расценка на установку одного анкера, руб./анк.; Рм.с.– расценка на затяжку металлической сеткой 1,0 м2 породных обнажений, руб./м2. Проектные значения трудоемкости и продолжительности крепления 1,0 м скважины комбинированной набрызг-бетонной крепью в сочетании с анкерами и металлической сеткой приведены на графиках на рис. 15-16, построенных для средних условий для Российского Донбасса. Расчетные значения сметной стоимости крепления 1,0 м скважины комбинированной набрызг-бетонной крепью класса по прочности на сжатие В20 приведены на графиках на рис. 17, построенных для средних условий Российского Донбасса с использованием расценок СНиП IV-5-82.

Область применения технологии крепления комбинированной набрызг-бетонной крепью с опережающей откачкой бурового раствора В соответствии с результатами исследований предложенная технология крепления скважин комбинированной набрызг-бетонной крепью в сочетании с железобетонными анкерами и металлической сеткой, возводимой с опережающей откачкой бурового раствора, может быть успешно применена при креплении скважин в прочных горных породах с малым временем релаксации, таких как песчаники и сланцы песчаные.

62

а)

35

6,0

30

5,0

25

4,0

20 15

3,0

10

2,0

5

1,0

Диаметр скважины, м

Трудоемкость работ, чел.-ч.

40

0 0

200

400

600

800

1000

Глубина скважины, м б)

6,0

30 25

5,0

20

4,0

15

3,0

10

2,0

5

1,0

Диаметр скважины, м

Трудоемкость работ, чел.-ч.

35

0 0

200

400

600

800

1000

в) Трудоемкость работ, чел.-ч.

30

6,0

25

5,0

20

4,0

15

3,0

10

2,0

5

1,0

Диаметр скважины, м

Глубина скважины, м

0 0

200

400

600

800

1000

Глубина скважины, м Рис. 15. Затраты труда рабочих на крепление 1,0 м скважины комбинированной набрызг-бетонной крепью для средних условий Российского Донбасса: а) – глинистый сланец; б) – песчаный сланец; в) – песчаник

63

500 6,0

400 300 200 100

1,0

Диаметр скважины, м

Продолжительность крепления скважины, сут.

а)

0 0

200

400

600

800

1000

400

6,0

300 200 100

1,0

Диаметр скважины, м

б)

Продолжительность крепления скважины, сут.

Глубина скважины, м

0 0

200

400

600

800

1000

400

6,0

300 200 100

1,0

Диаметр скважины, м

в)

Продолжительность крепления скважины, сут.

Глубина скважины, м

0 0

200

400

600

800

1000

Глубина скважины, м Рис. 16. Продолжительность крепления скважины при креплении комбинированной набрызг-бетонной крепью для средних условий для Российского Донбасса: а) – глинистый сланец; б) – песчаный сланец; в) – песчаник

64

а)

6,0

500 400

5,0

300

4,0

200

3,0

100

2,0 1,0

0 0

200

400

600

800

Диаметр скважины, м

Сметная стоимость, руб./м

600

1000

Глубина скважины, м

450 400 350 300 250 200 150 100 50 0

6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0

0

200

400

600

800

Диаметр скважины, м

Сметная стоимость, руб./м

б)

1000

Глубина скважины, м

Сметная стоимость, руб./м

350

6,0

300 250

5,0

200 4,0

150 100

3,0

50

2,0 1,0

0 0

200

400

600

800

1000

Глубина скважины, м Рис. 17. Сметная стоимость крепления 1,0 м скважины для средних условий Российского Донбасса: а) – глинистый сланец; б) – песчаный сланец; в) – песчаник

65

Диаметр скважины, м

в)

В породах с большим временем релаксации (например, сланцы глинистые), в которых наблюдается значительное развитие величины горного давления с глубиной, область применения предложенной технологии ограничена глубиной скважины, при которой толщина набрызг-бетонной крепи достигает своих критических значений. В слабых породах с коэффициентом крепости по шкале проф. М.М. Протодьяконова f < 4-7 в которых наблюдается значительное развитие величины зоны неупругих деформаций (зоны возможного вывалообразования) с глубиной и диаметром скважины в бурении, область применения предложенной технологии ограничена сочетанием глубины и диаметра скважины, при котором размеры зоны неупругих деформаций не позволяют развить значительного вывалообразования из породных обнажений скважины во время ее откачки и крепления. Данные результаты хорошо подтверждаются результатами лабораторных и натурных исследований механического состояния приконтурного массива пород и работы набрызг-бетонной крепи, проведенными ВНИМИ, в результате которых было установлено, что при бурении скважин значительного нарушения окружающего породного массива не происходит. Развитие трещин в приконтурном массиве со временем зафиксировано только в глинистых сланцах. Согласно результатам исследований наибольшая вероятность разрушения набрызг-бетонной крепи обнаруживается на участках выхода глинистых и песчаных сланцев и угольных пластов, особенно залегающих на большой глубине от земной поверхности, для которых наиболее трудно обеспечить устойчивость. Произведенный анализ показывает, что рекомендуемые условия применения предложенной технологии крепления скважин большого диаметра комбинированной набрызг-бетонной крепи в сочетании с железобетонными анкерами и металлической сеткой, возводимой с опережающей откачкой бурового раствора, могут быть ограничены следующими: − в зависимости от геологического строения, вещественного состава и физико-механических свойств пород – горно-геологическими условиями, относящимися к I и II типу (участки, представленные сравнительно однородной толщей глинистых и песчано-глинистых сланцев и песчаников, мощностью от 4,0-5,0 м, или переслаивающимися глинистыми и песчано-глинистыми сланцами, песчаниками и известняками с пластами и пропластками углей, с мощностью слоев от 0,1-

66

−

−

5,0 м); в зависимости от реологических свойств – горными породами, относящимися к I, II и III классу ползучести (горные породы, имеющие χ значение обобщенного реологического показателя ≤ 0,4 ; степень β ползучести пород от весьма слабой до средней); в зависимости от категории устойчивости породных обнажений – горными породами, относящимися к I и II категориям устойчивости (горные породы, имеющие численное значение критерия устойчивости пород C < 6 ).

Пример применения технологии крепления комбинированной набрызг-бетонной крепью с опережающей откачкой бурового раствора Рассмотрим технологию крепления скважин по разработанным технологическим схемам на примере крепления воздухоподающей скважины №2 бывшей шахты «Южная» ОАО «Ростовуголь». Воздухоподающая скважина №2 пересекает породы четвертичного и каменноугольного возраста. Четвертичные отложения представлены суглинками, характеризующимися по гранулометрическому составу как суглинки тяжелые, пылеватые. Четвертичные отложения неустойчивы. Вся толща пород каменноугольного возраста представлена скальными породами: песчаными сланцами, песчаниками, известняками (до 70%), сланцами песчано-глинистыми, глинистыми, углистыми и углями (до 30%). Зона выветривания карбона прослеживается до глубины 17,6 м. Водоносные горизонты, пересекаемые проектируемой скважиной, приурочены к каменноугольным отложениям, четвертичные отложения – безводны. В каменноугольных отложениях водоносными являются трещиноватые песчаники. Водоносные горизонты содержат слабоминерализованные воды с сухим остатком от 1,3 г/дм3 в верхней части разреза, до 5,2 г/дм3 в нижней. По химическому составу воды сульфатно-хлоридные и хлоридно-сульфатно-натриевые. Проектом, разработанным институтом «Ростовгипрошахт», принята следующая конструкция скважины, приведенная в табл. 7. Бурение скважины предусмотрено на воде (удельный вес γв = 10,0 кН/м3).

67

Таблица 7 Конструкция вентиляционной скважины №2 шахты «Южная»

Показатели Глубина скважины, м Диаметр скважины в бурении, м: – в интервале 0,0-21,0 м – в интервале 21,0-464,0 м – в интервале 464,0-895,0 м

Характеристика 895,0 6,4 3,87 2,6

Армировка скважины – жесткая металлическая. Шаг армировки – 6,252 м. В сечении скважины располагаются одна конструкция для крепления кабелей и один хордальный расстрел из стального проката – двутавр №27Ca, закрепленный анкерами, несущий два проводника из рельсов Р38. К расстрелам скобами крепится трубопровод водоотлива. Возведение стальной крепи предусмотрено производится секционным способом малыми секциями длиной 30,0 м. Тампонаж закрепного пространства производится через опускные ставы. Работы по откачке промывочной жидкости, контрольному тампонажу и армированию вентиляционной скважины выполняются совместно в нисходящем порядке. Величина отдельной заходки принимается равной 12,5 м. Демонтаж направляющих конусов производится по мере откачки промывочной жидкости. С учетом разработанных выше технологических схем крепления скважин предлагается следующая технология ведения работ. Крепление скважины набрызг-бетонной крепью в комбинации с железобетонными анкерами в сочетании с металлической сеткой ведется одновременно с армированием по совмещенной технологической схеме сверху вниз с опережающей откачкой промывочной жидкости с помощью желонки или подвесного насоса. При креплении скважины комбинированной набрызг-бетонной крепью в интервалах пересечения водоносных горизонтов предусматривается последующая цементация пород. На отметках 33,0 м, 483,5 м и 579,5 м от поверхности устанавливаются водоулавливающие желоба. Последовательность крепления предусматривается в соответствии с разработанной технологической схемой по варианту 1, подвариант 1. Цикл по армированию и креплению рассчитан на монтаж одного яруса армировки. Все работы выполняются с двухэтажного подвесного полка. Цикл по креплению скважины начинается с откачки бурового рас-

68

твора на величину заходки, тщательного смыва глиняной корки с породных обнажений скважины и их оборки. Возведение набрызг-бетонной крепи скважины предусматривается с применением машин типа БМС-5, загружаемых сухой смесью на поверхности и в загруженном состоянии подаваемых в скважину. Последующая загрузка машины сухой смесью осуществляется на полке с применением контейнеров, подаваемых в скважину. Нанесение набрызг-бетона осуществляется рабочим вручную с нижнего этажа подвесного полка. После нанесения первого (выравнивающего) слоя набрызг-бетона и набора им предусмотренной проектом необходимой прочности, производится установка железобетонных анкеров в сочетании с металлической сеткой по нанесенному слою набрызг-бетона. Применяются анкера с полным заполнением шпуров вяжущим. Порядок возведения анкерной крепи в пределах каждой заходки – сверху вниз. Бурение шпуров в ярусе, заполнение их бетонной смесью и установка металлических штанг производится с нижнего этажа полка, после чего его опускают на следующий ярус анкеров и так далее в пределах заходки. Навеска металлической сетки, опорных плит и затяжка гаек осуществляется с верхнего этажа полка по мере установки анкеров. После окончания установки железобетонной анкерной крепи в сочетании с металлической сеткой на величину заходки по креплению производится нанесение последующих слоев набрызг-бетона до достижения проектной толщины крепи, выполняемое с нижнего этажа подвесного полка. Крепление ведется до тех пор, пока верхний этаж полка не окажется на уровне установки очередного яруса расстрела, после чего приступают к установке расстрела, доставляемого в ствол с помощью специального прицепного устройства. Спущенный на уровень полка расстрел с верхнего этажа полка перецепляется на монтажные канаты, на которых подводится к месту установки. Монтаж расстрела производится на анкерах с помощью шаблона. Через каждые 12,0 м по глубине скважины производится наращивание трубопроводов для подачи сжатого воздуха и воды. Работы по креплению и армированию скважины выполняются в четыре смены по шесть часов при непрерывной рабочей неделе. Проходчики работают пять дней в неделю с выходными днями по скользящему графику. Армирование скважины осуществляет суточная комплексная бригада

69

проходчиков, состоящая из четырех звеньев. Сравнительная оценка крепления скважины по проекту ОАО «Ростовгипрошахт» и по предлагаемой технологии крепления приведена в табл. 8. Таблица 8 Сравнительная оценка рассматриваемых вариантов крепления скважины

Конструкция крепи Параметр комбинированная настальная крепь брызг-бетонная крепь 1 2 3 Расход материалов Стальные трубы, усиленные банда1771,3 – жами, т Цементно-песчаный раствор для тампонажа затрубного пространства, 2951,0 – м3, при коэффициенте разбуривания Kразб = 1,2 Цементно-песчаный раствор для цементации водоносных горизонтов из – 23,0 скважины, м3 Железобетонные анкера, шт.: – длиной 1,0 м – 8296 – длиной 1,5 м – 132 – длиной 2,5 м – 336 3 Набрызг-бетон, м , при коэффициенте отскока Kотс = 1,15 – класса B20 – 441,2 – класса B25 – 221,3 2 Металлическая сетка, м – 8906,5 Трудозатраты, чел.-ч. Крепление скважины 77780 13770 Цементация водоносных горизонтов – 1416 из скважины Установка водоулавливающих жело– 326 бов Армирование форшахты 162 162 Армирование основной колонны 3110 3378 Итого по сводному сметному расче81052 19052 ту Итого в % к базовому варианту 100,00 23,51 (стальная крепь) Снижение затрат труда в % к базо0,00 76,49 вому варианту

70

Продолжение табл. 8

1

2 3 Продолжительность, сут. Откачка буровой скважины 22 17,5 Крепление скважины 218 175 Цементация водоносных горизонтов – 15 из скважины Установка водоулавливающих жело– 1,5 бов Армирование форшахты 2 2 Армирование основной колонны 87 65 Прочие работы 30 30 Итого 359 306 Итого в % к базовому варианту 100,00 85,24 (стальная крепь) Снижение продолжительности работ – 14,76 в % к базовому варианту Сметная стоимость выполнения работ, руб., в ценах 1984 г. Крепление скважины 1027,48 154,29 Цементация водоносных горизонтов – 18,28 из скважины Установка водоулавливающих жело– 11,51 бов Армирование форшахты 3,09 3,09 Армирование основной колонны 45,17 50,15 Итого по сводному сметному расче1075,74 237,32 ту Итого в % к базовому варианту 100,00 22,06 (стальная крепь) Снижение сметной стоимости в % к 0,00 77,94 базовому варианту

Анализ табл. 3.4 показывает, что при креплении воздухоподающей скважины №2 бывшей шахты «Южная» ОАО «Ростовуголь» комбинированной набрызг-бетонной крепью, рассчитанной по предложенной методике, наблюдается уменьшение: − затрат труда рабочих на 76,49%, что составляет 62000 чел.-ч.; − продолжительности выполнения работ на 14,76%, что составляет 53 сут.; − сметной стоимости крепления и армирования скважины на 77,94%, что составляет 838,42 тыс. руб. в ценах 1984 г.

71

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В результате выполнения исследований напряженнодеформированного 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 получены следующие выводы: − 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 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; − 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. Установлено, что предложенная технология по сравнению с традиционной технологией крепления металлической секционной крепью позволит сократить стоимость крепления на 35-91%, трудоемкость – на 6795%, продолжительность – на 8-83%.

72

СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ СООРУЖЕНИЯ СКВАЖИН БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ВМЕЩАЮЩЕГО СКВАЖИНУ ПОРОДНОГО МАССИВА И КРЕПИ ПРИ КРЕПЛЕНИИ НАБРЫЗГ-БЕТОНОМ С ОПЕРЕЖАЮЩЕЙ ОТКАЧКОЙ БУРОВОГО РАСТВОРА Исследование напряженно-деформированного состояния вмещающего скважину породного массива и крепи Определение зоны неупругих деформаций пород на незакрепленном участке скважины между ранее возведенной крепью и уровнем откачиваемого бурового раствора Определения основных параметров технологии крепления скважин большого диаметра с опережающей откачкой бурового раствора и конструкции крепи ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ КРЕПЛЕНИЯ СКВАЖИН БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА НАБРЫЗГ-БЕТОННОЙ КРЕПЬЮ С ОПЕРЕЖАЮЩЕЙ ОТКАЧКОЙ БУРОВОГО РАСТВОРА Выбор и обоснование основных параметров технологических схем Сметная стоимость, продолжительность и трудоемкость крепления скважин большого диаметра по предложенным технологическим схемам крепления Область применения технологии крепления комбинированной набрызг-бетонной крепью с опережающей откачкой бурового раствора Пример применения технологии крепления комбинированной набрызг-бетонной крепью с опережающей откачкой бурового раствора ЗАКЛЮЧЕНИЕ

73

3

5

14 14

32

47

53 53

60

62

67 72

Научное издание Сильченко Юрий Александрович СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ КРЕПИ СКВАЖИН БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА И ТЕХНОЛОГИИ ЕЕ ВОЗВЕДЕНИЯ

Редактор А.Ю. Прокопов Сдано в набор 20.05.2003 г. Подписано в печать 27.08.2003 г. Формат 60×84 1/16. Бумага офсетная. Печать оперативная. Усл. печ. л. 4,62. Уч.-изд. л. 5,0. Тираж 100 экз. Южно-Российский государственный технический университет Редакционно-издательский отдел ЮРГТУ Адрес университета: 346428, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132 Шахтинский институт ЮРГТУ Адрес института: 346500, г. Шахты, пл. Ленина 1

74

75

76