Материал: Технология строительства подземных сооружений. Специальные способы строительства

для обеспечения заданного направления бурения расширитель снизу снабжается направляющим фонарем.

В связи с тем, что условия промывки забоя требуют изго­ товления расширителей закрытого типа, при подъеме расшири­ теля со скоростью до 15 м/мин возникают значительные гид­ равлические сопротивления и большие дополнительные нагруз­ ки на талевую систему. Поэтому, как показали исследования, наиболее целесообразно изготовлять расширители со сфериче­ ской или параболическрй формой его верхней части.

6.2.4. Промывочные жидкости

В качестве промывочных жидкостей при бурении применяют воду и глинистые растворы, приготовляемые на поверхности или образующиеся естественным путем в процессе буровых работ. Наиболее эффективна промывка водой, так как при этом гид­ равлические сопротивления движения жидкости и бурового ин­ струмента оказываются наименьшими. Благодаря более совер­ шенной очистке забоя процесс разрушения породы облегчается, значительно упрощается поверхностный комплекс по очистке жидкости от разбуренной породы. В результате скорость буре­ ния возрастает при снижении стоимости работ, в том числе изза снижения»расходов, связанных с приготовлением промывоч­ ных растворов.

Однако область применения водяной промывки ограничива­ ется лишь достаточно плотными породами, сохраняющими пол­ ную устойчивость при длительном контакте с водой и не погло­ щающими больших ее количеств. Поэтому в основном при бу­ рении стволов и скважин большого диаметра используют гли­ нистые растворы, к которым предъявляют особые требования. Они должны обладать небольшой вязкостью и легко перекачи­ ваться насосами, не расслаиваться, не отдавать и не принимать воду из массива, т. е. обеспечивать высокую стабильность, хо­ рошо очищаться на поверхности от разбуренной породы, не вы­ зывать коррозии металлических частей, абразивного действия трущихся деталей бурового инструмента, быть дешевыми.

Плотность раствора зависит от содержания в нем глины. Как показывает практика бурения, плотность раствора должна быть в пределах 1,1—‘1,2 г/см3. Чем ниже плотность раствора, тем выше скорость бурения. Однако в условиях высоких гидро­ статических напоров подземных вод и интенсивного проявления горного давления приходится повышать плотность раствора до 1,4 г/см3 и более путем увеличения содержания в растворе гли­

ны и специальных утяжеляющих добавок (молотого гематита, магнетита, барита и др.).

Вязкость раствора существенно зависит от плотности и определяется количеством и качеством исходных материалов

(воды, глины и добавок), способа его приготовления. На прак­ тике вязкость характеризуется как обратная величина его те­ кучести, определяемой продолжительностью истечения раствора из воронки вместимостью 0,5 л через отверстие диаметром 5 мм.

.Увеличение вязкости затрудняет его поглощение пересекае­ мыми породами и улучшает условия очистки забоя от разбу­ ренной породы. Вместе с тем при чрезмерно вязких растворах ухудшается процесс очистки его на поверхности от разрушен­

стей. Глинистые растворы относятся к гетерогенным системам. Явление внутреннего трения при движении таких растворов не подчиняется закону Ньютона. Эти растворы способны сохра­ нять в состоянии покоя касательные напряжения сдвигу, упо­ добляясь до некоторой степени твердым телам. Показатель СНС характеризуется усилием, отнесенным к 1 см2 площади, которое необходимо приложить для того, чтобы вывести рас­ твор из состояния покоя. Показатель СНС измеряют вискози­ метрами.

Всостоянии покоя СНС глинистых растворов 'увеличивается,

т.е. они обладают свойством тиксотропии, имеющим большое практическое значение, так как оно придаетраствору способ­ ность удерживать во взвешенном состоянии частицы разрушен­ ной породы в случае прекращения циркуляции, сравнительно быстро загустевать при поглощении раствора большими трещи­

нами, пустотами и вместе с тем легко перекачиваться насоса­ ми, очищаться на поверхности от разрушенной породы.

Показатель тиксотропности раствора определяется как отно­ шение величин, полученных через 10 мин и через 1 мин состоя­ ния покоя. Для хороших растворов этот показатель должен быть в пределах 2—2,5. При этом начальное статическое на­ пряжение сдвига (при 1 мин покоя) должно равняться около

10мг/см2.

Ст а б и л ь н о с т ь р а с т в о р а — важнейшее свойство, ха­

рактеризующее внутреннюю структуру раствора. Способность раствора сохранять свою структуру (не расслаиваться, не от­ давать и не воспринимать воду) при бурении стволов и сква­ жин большого диаметра особенно важно, так как в работе дли­ тельное время находятся значительные объемы-раствора.

Высококачественные растворы обладают низкой водоотда­ чей, определяемой количеством жидкости в 1 см3, проходящей в течение 30 мин через бумажный фильтр диаметром 75 мм. Растворы с малой водоотдачей образуют тонкую малопроницае­ мую корку небольшой механической прочности.

опыт буровых работ, содержание песка в растворе не должно превышать 4% по объему.

В процессе бурения необходимо осуществлять контроль за качеством растворов и при необходимости принимать меры по поддержанию свойств в требуемых пределах. С этой целью ис­ пользуют различные добавки. Так для понижения вязкости рас­ творов применяют молекулярно обезвоженные фосфаты и поли* фосфаты, кислый пирофосфат натрия, гексаметофосфат натрия, сульфитно-спиртовую барду, гуминовые кислоты (бурый уголь и торф) и другие вещества.

Для снижения водоотдачи в растворы добавляют бентонит, углещелочной реагент и другие добавки.

6.2,5. Возведение постоянной крепи

При бурении глубоких стволов в качестве постоянной крёпи применяют чугунные и железобетонные тюбинги, металлобетон­ ную крепь, состоящую из металлических обечаек с бетонным заполнением между ними. При бурении стволов небольшой глу­ бины и скважин большого диаметра в основном применяют ме­ таллические обечайки.

В зависимости от технологии производства работ различают два способа возведения постоянной крепи: на плаву и погруж­ ной секционный.

Первый способ — возведение крепи на плаву осуществляют' следующим образом. Первоначально на платформе 1 собирают днище крепи 2, на котором затем монтируют секцию из тюбин­ гов 3 высотой 3—4 м (рис. 6.7, а). После этого -платформу уста­ навливают над стволом и секцию с помощью талевой системы опускают в ствол, заполненный глинистым раствором до тех пор, пока она не начнет пла-вать (рис. 6.7,б,в). В дальнейшем крепь наращивают отдельными секциями, которые поочередно собирают на правой и левой платформах 4 (рис. 6.7, г). Соеди­ няют секции между собой с раздвижных платформ, перекрыва­ ющих ствол.

Для погружения крепи в ствол внутрь постоянной крепи за­ качивают балластную жидкость (обычно глинистый раствор). После возведения крепи на полную глубину ствола пространст­ во между крепью и породой заполняют цементным раствором, который подают с поверхности по трубам. По мере заполнения кольцевого пространства трубы поднимают, пока уровень це­ ментного раствора не достигнет земной поверхности. После за­ твердения раствора откачивают балластную жидкость и арми­ руют ствол.

Рис. 6.7. Возведение крепи погружным способом на плаву

Все работы по возведению постоянной крепи на плаву про­ изводят на земной поверхности с использованием крупных сборных секций и с применением механизации. Все это позво­ ляет обеспечить высокие скорости возведения крепи (до 25 м/сут

глубоких стволов, и необходимость иметь большой (не менее 0,3 м) зазор между крепью и породой, что приводит к большо­ му расходу тампонажных материалов, увеличивает стоимость и сроки строительства стволов. По данным практики применение способа возведения постоянной крепи на плаву наиболее целе­ сообразно при бурении стволов шахт большой глубины в сла­ бых неустойчивых породах, в которых монтажные нагрузки бу­ дут меньше, чем ожидаемое горное давление на крепь.

Второй погружной секционный способ возведения постоян­ ной крепи заключается в следующем (рис. 6.8). Первоначально в ствол, заполненный глинистым раствором, на буровой колон­ не 1 опускают секцию крепи 2 высотой 4—5 м, которую тща­ тельно устанавливают на забое с таким расчетом, чтобы были обеспечены строгая вертикальность ее и равномерный зазор по периметру между крепью и породой. Затем секцию омоноличивают цементным раствором, подаваемым по буровой колонне в кольцевое пространство, и возводят бетонное днище крепи 5 на высоту 2—3 м. После этого наращивают крепь высотой 4— 5 м в направлении снизу вверх отдельными секциями 2 при бурении стволов или плетями 3 при бурении скважин большого диаметра высотой до 25 м и более, которые собирают в устье

.ствола из отдельных секций 2. Секции (плети) опускают с по­ мощью буровой колонны. Для обеспечения стыковки секций (плетей) между собой каждая из них в нижней части снабжа­ ется специальными направляющими 4. После монтажа всей крепи приступают к тампонажным работам.

Для контроля за положением секции (плети) во время ее спуска и установки применяют специальные внешние направ­ ляющие и приборы, работающие на принципе измерения уров­ ня жидкости в сообщающихся сосудах. После установки секции (плети) в закрепное кольцевое пространство нагнетают тампо­ нажный раствор 6, подаваемый по буровой колонне до запол­ нения кольцевого пространства на высоту секции (плети).

Применение погружного секционного способа возведения крепи исключает возникновение больших монтажных нагрузок на крепь, обеспечивает увеличение скорости возведения крепи особенно при применении плетей, а также позволяет уменьшить кольцевой зазор до 0,15 м, так как используют секции неболь­

шой высоты. Вместе с тем этот способ возведения крепи имеет и существенные недостатки.

возведения постоянной крепи применяют при бурении стволов шахт диаметром 4,5 м и более.

6.2.6. Гидроизоляционные работы

Гидроизоляционные работы проводят с целью стабилизации и закрепления пород вокруг выработки, обеспечения равномер­ ной нагрузки на крепь, придания крепи герметичности, а также исключения гидравлической связи отдельных водоносных гори­ зонтов меэйду собой. Гидроизоляционные работы включают в себя два этапа: тампонирование цементным раствором кольце­ вого пространства между крепью и породой и контрольный тампонаж пород после возведения постоянной крепи.

Как указывалось выше, тампонирование кольцевого прост­ ранства при возведении постоянной крепи на плаву производят через 6—8 ставов труб, опущенных с поверхности в кольцевое пространство на полную глубину ствола, которые по мере за­ полнения пространства постепенно поднимаются вверх таким образом, чтобы нижние концы их постоянно находились на 1— 1,5 м в тампонажном растворе, т. е. применяют метод тампони­ рования восходящим потоком. При возведении погружной секционнрй крепи тампонирование кольцевого пространства произ­ водят после установки каждой секции крепи также методом

восходящего потока.

Контрольный тампонаж производят после завершения работ по возведению постоянной крепи и заполнения кольцевого про­ странства. Работы по тампонажу ведут-с подвесных полков заходками высотой 3—4 м в направлении сверху вниз. По мере откачки балластной жидкости и очистки крепи с нижнего эта­ жа полка в породу через специальные отверстия в крепи на глубину 1,5—2 м бурят скважины. В водоносных породах сква­ жины бурят через превенторы. С верхнего этажа полка нагне­ тают тампонажный раствор с помощью цементационных насо­

растворов не должно превышать расчетную нагрузку на крепь.