СПОСОБ ПРОХОДКИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ШАХТНЫХ СТВОЛОВ В ОБВОДНЕННЫХ НЕУСТОЙЧИВЫХ ГОРНЫХ ПОРОДАХ Российский патент 2015 года по МПК E21D1/00 

Изобретение относится к горной промышленности, а именно к способу проходки вертикальных шахтных стволов в обводненных неустойчивых горных породах.

Известен способ проходки вертикальных шахтных стволов в обводненных неустойчивых горных породах, включающий замораживание пород на месте расположения ствола, создание водоизоляционной тампонажной завесы вокруг ледопородного ограждения с последующим разрушением горных пород, их выемкой, креплением шахтного ствола и тампонажем закрепного пространства [1].

Недостатком данного технического решения является разрушение замораживающих колонок в зоне контакта пород с различными скоростями прохождения упругих волн, возникающих при взрывании шпуровых зарядов.

Известен способ проходки вертикальных шахтных стволов в обводненных неустойчивых горных породах, включающий формирование ледопородного ограждения вокруг ствола, проведение буровзрывных работ, определение положения забоя в процессе взрывания зарядов взрывчатых веществ (ВВ) с предельно допустимой силой воздействия упругих волн на замораживающие колонки относительно границ контакта двух пород с различными физико-механическими свойствами, после чего осуществляют разрушение пород в режиме, обеспечивающем величину напряжений в замораживающих колонках, создаваемых упругими волнами, равную или меньшую максимально допустимого значения [2].

Данное изобретение предотвращает разрушение замораживающих колонок. При проведении буровзрывных работ при крепости пород выше пятой категории по шкале Протодьяконова уменьшение величины воздействия упругих волн на замораживающие колонки осуществляют за счет изменения (уменьшения) массы одновременно взрываемых зарядов взрывчатых веществ до максимально допустимого значения, что снижает эффективность процесса разрушения горных пород внутри контура ствола. Этот способ взят мною в качестве прототипа.

Задачей изобретения является повышение скорости проходки ствола за счет уменьшения энергетических потерь взрывной волны внутри контура ствола с обеспечением сохранности замораживающих колонок.

Это достигается тем, что в способе, включающем формирование ледопородного ограждения вокруг контура ствола, проведение буровзрывных работ путем бурения врубовых и отбойных шпуров с последующим их заряжанием зарядами ВВ и взрыванием зарядов, контроль напряжений в замораживающих колонках в зонах контакта двух пород с различными физико-механическими свойствами, а также механизированную погрузку отбитой породы, крепление шахтного ствола с тампонажем закрепного пространства, при достижении предельно допустимых значений напряжений в замораживающих колонках в забое бурят на заданном расстоянии от последнего ряда отбойных шпуров компенсационные незаряженные шпуры, образующие предконтурный ряд, при этом центр каждого компенсационного шпура этого ряда расположен между соседними отбойными шпурами и на одинаковом от них расстоянии, а также - контурный ряд незаряженных компенсационных шпуров, расположенный относительно предконтурного ряда компенсационных шпуров в шахматном порядке и на заданном расстоянии от стенки ствола. При этом расстояние между последним рядом отбойных шпуров и предконтурным рядом компенсационных шпуров определяют из выражения:

где d_П - диаметр патрона ВВ в отбойных шпурах.;

k_ЗАЖ - коэффициент, учитывающий зажим пород, для замороженных песчаников принимается в пределах от 0,8-0,85, в замороженных глинистых породах - в пределах от 0,65-0,75;

k_Г.У - коэффициент геологических условий, учитывающий наличие слоев пород с разной акустической жесткостью, при отсутствии контактов равен 1; при контакте песчаника и глин - 0,7; при контакте песчаников и суспензий - 0,8; при контакте песчаника и мергелей - 0,6;

k_СП - коэффициент структуры пород, в пределах от 0,856-1,12, в зависимости от плотности и трещиноватости.

Кроме того, при проходке ствола в горных породах с различной крепостью регулируют энергию ударных волн путем изменения диаметров компенсационных шпуров до величины, при которой напряжения в замораживающих колонках, создаваемые ударными волнами, равны или меньше максимально допустимого значения.

На фиг. 1 показана схема расположения шпуровых зарядов, компенсационных шпуров и ледопородного ограждения.

На фиг. 2 показан узел A фиг. 1.

Способ проходки вертикальных шахтных стволов в обводненных неустойчивых горных породах осуществляют следующим образом.

В массиве горных пород 1 бурят вокруг контура 2 проектного шахтного ствола замораживающие скважины 3, в которые размещают замораживающие колонки с последующим подключением их через рассолопроводы к замораживающей станции (не показано). После чего осуществляют активное замораживание пород, формируя ледопородное ограждение 4 вокруг контура ствола на заданную величину. Проведение буровзрывных работ включает бурение врубовых 5 и отбойных 6 шпуров по концентрическим окружностям с соответствующими радиусами из центра ствола, с последующим их заряжанием зарядами взрывчатых веществ (ВВ) и взрыванием зарядов по известной схеме. При проходке ствола в горных породах с различными физико-механическими свойствами в зоне контакта двух пород с различными физико-механическими свойствами происходит при взрыве шпуровых зарядов наложение на основную упругую волну отраженных волн от контактирующей поверхности двух слоев пород. При совпадении фаз основной упругой волны и отраженных волн значительно увеличивается амплитуда ударных волн, что может вызвать деформацию и разрушение замораживающих колонок, следовательно, разрушение ледопородного ограждения. Коэффициент отражения упругих волн от границы двух замороженных пород определяют по скорости распространения упругих волн в этих породах - C₁, C₂ и плотности каждой из них - ρ₁, ρ₂ по известной формуле:

Поскольку для замороженных пород этот коэффициент может иметь значительные величины, например для замороженных песков и глин максимальное значение равно 0,37, то значительная часть энергии будет отражаться и складываться с энергией прямой волны, что вызывает деформацию и разрушение колонок.

Практика строительства вертикальных шахтных стволов показала, что разрушение замораживающих колонок часто происходит в зоне контакта двух пород с различными физико-механическими свойствами. В связи с этим в процессе проходки ствола уточняют одним из известных методов - сейсморазведки или георадиолакации границу контакта двух пород с различными физико-механическими свойствами относительно данных геологоразведки. Выбор метода определения положения границы зависит от глубины залегания границы контакта двух пород и заданной точности измерения. Расстояние от забоя шахтного ствола до границы контакта двух пород с различными физико-механическими свойствами вычисляют по известной формуле:

где C - скорость распространения упругих волн в вышележащем слое породы;

Т₃ - время прохождения сигнала от излучателя до границы контакта двух пород с различными физико-механическими свойствами и обратно.

Замеры деформаций колонок осуществляют с помощью тензодатчиков, установленных в замораживающих скважинах, и измерительного блока, расположенного на поверхности, с последующим расчетом напряжений в замораживающих колонках. Чем меньше расстояние между датчиками, тем более высокая точность измерения. По мере приближения забоя к границе контакта двух пород деформации колонок увеличиваются. Предельно допустимое значение деформаций в замораживающих колонках зависит от материала и качества изготовления труб для замораживающих колонок. Зону положения забоя с предельно допустимой силой воздействия упругих волн при взрыве шпуровых зарядов ВВ на замораживающие колонки относительно границ контакта двух пород с различными физико-механическими свойствами определяют путем сравнения измеренной величины деформаций (напряжений) в замораживающих колонках и предельно допустимой силой воздействия упругих волн на замораживающие колонки. При достижении предельно допустимого значения деформаций (напряжений) в замораживающих колонках бурят компенсационные незаряженные шпуры по концентрической окружности относительно центра ствола на заданном расстоянии от последнего ряда отбойных шпуров, образующие предконтурный ряд шпуров 7. Это расстояние определяют из выражения:

a=27d_Пk_ЗАЖk_Г.У.k_СП,

где d_П - диаметр патрона ВВ в отбойных шпурах;

k_ЗАЖ - коэффициент, учитывающий зажим пород, для замороженных песчаников принимается в пределах от 0,8-0,85, в замороженных глинистых породах - в пределах от 0,65-0,75;

k_Г.У - коэффициент геологических условий, учитывающий наличие слоев пород с разной акустической жесткостью, при отсутствии контактов равен 1; при контакте песчаника и глин - 0,7; при контакте песчаников и суспензий - 0,8; при контакте песчанка и мергелей - 0,6;

k_СП - коэффициент структуры пород, в пределах от 0,856-1,12, в зависимости от плотности и трещиноватости.

Центр каждого компенсационного шпура предконтурного ряда 7 расположен между соседними отбойными шпурами и на одинаковом от них расстоянии, а компенсационные шпуры контурного ряда 8 расположены относительно предконтурного ряда компенсационных шпуров в шахматном порядке. Расстояние от оконтуривающего ряда компенсационных шпуров до стенки ствола принимают 200 мм для пород с крепостью до четвертой категории по шкале Протодьяконова, а для более крепких пород - 350 мм. При этом все шпуры имеют цилиндрическую форму. Регулирование энергии ударных волн, воздействующих на замораживающие колонки, возможно путем изменения диаметров компенсационных шпуров от 55 до 60 мм. Наличие компенсационных незаряженных шпуров предконтурного и контурного рядов позволяет уменьшить амплитуду взрывной волны и ее скорость за пределами контура ствола, поскольку при взрыве шпуровых зарядов ВВ происходит концентрация напряжений на цилиндрических стенках компенсационных шпуров, что вызывает появление трещин в горных породах между шпурами с последующим их разрушением в приконтурной зоне ствола. Таким образом, уменьшаются энергетические потери внутри контура ствола при проведении буровзрывных работ, что обеспечивает высокую скорость проходки ствола. Расположение предконтурного и контурного рядов незаряженных шпуров в шахматном порядке относительно друг друга позволяет также значительно уменьшить количество заколов на контуре ствола. Уменьшение амплитуды взрывной волны до предельно допустимого значения и ее скорости за пределами контура ствола позволяет предотвратить разрушение замораживающих колонок.

Формирование ледопородного ограждения вокруг контура ствола, транспортирование отбитой породы на поверхность, крепление и тампонаж затрубного пространства осуществляют по известным технологиям с использованием известных взрывчатых веществ и технических средств.

Способ проходки вертикальных шахтных стволов в горных породах реализован применительно к условиям Саробинского месторождения при строительстве клетевого ствола диаметром 8,0 м и глубиной 670 м. Разрабатываемый пласт представлен залежами мела, песка, мергелей и глин, которые обводнены до глубины 165,4 м. Зона залегания пород на глубине 140÷150 м является зоной с высоким гидростатическим напором подземных вод до 5 МПа. Для создания ледопородного ограждения толщиной 2,7 м и глубиной 168 м осуществляют бурение 34 замораживающих скважин по концентрической окружности диаметром 9,6 м. В эти скважины размещают замораживающие колонки, внешний диаметр которых равен 144 мм. Замораживание предусматривается низкотемпературное (температура рассола -35°C) в течение 180 суток. Суммарная холодопроизводительность замораживающей станции составляет 26,5 МДж. После создания ледопородного ограждения заданной толщины приступают к проходке ствола буровзрывным способом. Буровзрывные работы проводят в соответствии с паспортом БВР, который рассчитывают, например, по методике Покровского Н.М. Предусмотрено бурение врубовых, отбойных и компенсационных шпуров бурильной установкой, например, типа БУКС-1М. Врубовые шпуры бурят на глубину 2,2 м, а отбойные и компенсационные - на глубину 2 м, причем диаметры врубовых и отбойных шпуров равны 42 мм, а компенсационных шпуров - 52 мм. Масса одновременно взрываемых зарядов составляет 40 кг, ВВ - аммонит 6 ЖВ для пород крепостью f=2÷3 и скальный аммонит №1 для пород крепостью f=3÷5, компенсационные шпуры оставляют незаряженными. Взрывание врубовых шпуров производят одновременно, а отбойных шпуров - с замедлением 400 мсек. Продвигание забоя за заходку составляет 1,5 м. После проведения взрывных работ отбитую породу с помощью грейферного погрузчика и бадьи транспортируют на поверхность, крепление ствола осуществляют посредством чугунной тюбинговой крепи, состоящей из шахтных тюбингов высотой 1.5 м с наклонным заливочным отверстием конструкции Шахтспецстрой. Для предотвращения деформаций и разрушения замораживающих колонок в зоне контакта двух пород с различными физико-механическими свойствами от воздействия упругих волн, возникающих в процессе взрывания зарядов ВВ, уточняют методом георадиолокации границу контакта песков и глин, а также песков и мергелей относительно данных геологоразведки. По полученным данным, граница контакта песков и глин находится в интервале глубин 112,6-112.8 м, а песков и мергелей - 140,8-141 м. Исходя из данных практики, зоны возможных разрушений колонок находятся в пределах от 0,5-2,0 м от границы контакта пород [3]. Для замороженных песков и глины скорости распространения упругих волн равны C₁=5300 м/с и C₂=3200 м/с, а плотность ρ₁=2600 кг/м³, ρ₂=2000 кг/м³ соответственно, для замороженных мергелей C₃=3270 м/с, ρ₃=2200 кг/м³. При этом коэффициент отражения от границы замороженных песка и глин, а также песка и мергелей в соответствии с вышеприведенной формулой (2) составит соответственно k₁=0,37 и k₂=0,36. При таких значениях коэффициентов k₁ и k₂ значительная часть энергии будет отражаться и складываться с энергией прямой волны, что может вызвать разрушение колонок. В связи с этим необходимо определить положение забоя, при котором деформации (напряжения) в замораживающих колонках достигают предельно допустимого значения. Оценку напряжений в колонках осуществляют с помощью тензодатчиков, расположенных в замораживающих скважинах 3 в пределах 2,5 м выше и ниже относительно границы контакта двух сред, и измерительного блока, например, УТИ1. Шаг установки тензодатчиков в скважине выбран из условия, что точность измерений должна быть выше в 5-10 раз, чем один шаг продвижения забоя, равный 1,5 м. В данном случае шаг выбран равным 25 см. Трубы для замораживающих колонок изготавливают из углеродистой стали с термической обработкой, выдерживающей давление до 20 МПа. Предельно допустимой величиной напряжения в замораживающих колонках является величина, близкая к 14 МПа. По результатам измерений установлено, что при приближении забоя на расстояние от 2,5 м к границе контакта слоев до 1 м напряжение в замораживающих колонках увеличивается до предельно допустимого значения, равного 14 МПа. После этого для снижения величины напряжения в замораживающих колонках бурят предконтурный ряд компенсационных незаряженных шпуров на расстоянии «a» от последнего ряда отбойных шпуров, рассчитанном по выражению (1) и равном a=27·0,036·0,82·0,8·0,96=600 мм. При этом радиус окружности, на которой расположены центры отбойных шпуров последнего ряда, равен 2,8 м, а расстояние между соседними отбойными шпурами равны 800 мм. Каждый компенсационный шпур предконтурного ряда расположен между двумя соседними отбойными шпурами и на одинаковом от них расстоянии. Бурят также контурный ряд компенсационных незаряженных шпуров на расстоянии 200 мм от контура ствола, поскольку крепость пород ниже четвертой категории по шкале Протодьяконова. Этот ряд расположен относительно предконтурного ряда компенсационных шпуров в шахматном порядке. При крепости пород выше четвертой категории по шкале Протодьяконова регулируют энергию ударных волн путем изменения диаметров компенсационных шпуров от 55 мм до 60 мм, при которых напряжения в замораживающих колонках, создаваемые ударными волнами, равны или меньше максимально допустимого значения.

Таким образом, предложенный способ проходки вертикальных шахтных стволов в обводненных неустойчивых породах позволяет обеспечить скорость проходки ствола не менее 87 м/мес. за счет уменьшения энергетических потерь взрывной волны внутри контура ствола при сохранности замораживающих колонок.

Источники информации

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

2. Патент РФ №2398967, МПК E21D 1/00, E21D 1/12 от 23.07.2009 «Способ проходки вертикальных шахтных стволов в обводненных неустойчивых горных породах» (прототип).

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

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при проходке шахтных стволов в неустойчивых и обводненных породах. Технический результат заключается в уменьшении энергетических потерь при проведении буровзрывных работ внутри контура ствола, что позволяет увеличить скорость его проходки. Способ включает формирование ледопородного ограждения вокруг контура ствола. Проведение буровзрывных работ путем бурения врубовых и отбойных шпуров с последующим их заряжанием зарядами ВВ и взрыванием зарядов. Контроль напряжений в замораживающих колонках в зонах контакта двух пород с различными физико-механическими свойствами. При достижении предельно допустимых значений напряжений в замораживающих колонках в зонах контакта двух пород с различными физико-механическими свойствами в забое бурят между последним рядом отбойных шпуров и контуром ствола два ряда компенсационных незаряженных шпуров, образующих предконтурный и контурный ряд шпуров и расположенных относительно друг друга в шахматном порядке. При этом данные ряды расположены на заданных расстояниях от отбойных шпуров и контура ствола. Центр каждого компенсационного шпура предконтурного ряда расположен между соседними отбойными шпурами и на одинаковом от них расстоянии. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ проходки вертикальных шахтных стволов в обводненных неустойчивых горных породах, включающий формирование ледопородного ограждения вокруг контура ствола, проведение буровзрывных работ путем бурения врубовых и отбойных шпуров с последующим их заряжанием зарядами BB и взрыванием зарядов, контроль напряжений в замораживающих колонках в зонах контакта двух пород с различными физико-механическими свойствами, а также механизированную погрузку отбитой породы, крепление шахтного ствола с тампонажем закрепного пространства, отличающийся тем, что при достижении предельно допустимых значений напряжений в замораживающих колонках в зоне контакта двух пород с различными физико-механическими свойствами в забое бурят на заданном расстоянии от последнего ряда отбойных шпуров компенсационные незаряженные шпуры, образующие предконтурный ряд, при этом центр каждого компенсационного шпура этого ряда расположен между соседними отбойными шпурами и на одинаковом от них расстоянии, а также - контурный ряд незаряженных компенсационных шпуров, расположенный относительно предконтурного ряда компенсационных шпуров в шахматном порядке и на заданном расстоянии от контура ствола.

2. Способ по п. 1. отличающийся тем, что расстояние между последним рядом отбойных шпуров и предконтурным рядом компенсационных шпуров определяют из выражения:
a=27d_Пk_ЗАЖk_Г.Уk_СП,
где d_П - диаметр патрона BB в отбойных шпурах;
k_ЗАЖ - коэффициент, учитывающий зажим пород, для замороженных песчаников принимается в пределах от 0,8-0,85, в замороженных глинистых породах - в пределах от 0,65-0,75;
k_Г.У - коэффициент геологических условий, учитывающий наличие слоев пород с разной акустической жесткостью, при отсутствии контактов равен 1; при контакте песчаника и глин - 0,7; при контакте песчаников и суспензий - 0,8; при контакте песчаника и мергелей - 0,6;
k_СП - коэффициент структуры пород, в пределах от 0,856-1,12, в зависимости от плотности и трещиноватости.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при проходке ствола в горных породах с различной крепостью регулируют энергию ударных волн путем изменения диаметров компенсационных шпуров до величины, при которой напряжения в замораживающих колонках, создаваемые ударными волнами, равны или меньше максимально допустимого значения.