автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.04, диссертация на тему:Обоснование способов повышения устойчивости выработок нефтешахт

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Горногеологические и горнотехнические условия Ярегского нефте-титанового месторождения.

1.2. Краткий анализ систем разработки при извлечении нефти из Ярегского месторождения.

1.3. Состояние вопроса и задачи исследований.

ГЛАВА 2. ОБОСНОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ СПОСОБОВ ОСВОЕНИЯ ЯРЕГСКОГО НЕФТЕТИТАНОВОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ.

2.1. Обоснование порядка отработки нефтетитанового месторождения.

2.2. Разработка способа повышения нефтеотдачи и интенсификации от' '.бора нефти.

ГЛАВА 3. ГЕОМЕХАНИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ВОКРУГ КАПИТАЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК НЕФТЕШАХТ.;:.

3.1. Влияние влажности на прочностные и деформационные свойства 52 горных пород.

3.2. Разработка методов расчета зон предельного состояния вокруг выработок различного очертания.

3.3. Методика расчета смещений массива пород вокруг выработок неф-тешахт.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ СНИЖЕНИЯ ДЕФОРМАЦИИ ПОЧВЫ И ПОВЫШЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ КРОВЛИ ВЫРАБОТОК.

4.1. Геомеханическое обоснование параметров щелевой разгрузки горного массива, вмещающего горные выработки.

4.2. Методика определения толщины упрочненных пород в приконтурной зоне выработок.

4.3. Разработка рецептуры тампонажных растворов и параметров технологии для закрепления ослабленных скрытой трещиноватостью участков массива.

4.4. Выбор крепи учитывающей несущую способность затампонированного приконтурного слоя.

4.5. Разработка конструкций крепей горных выработок.

Подземная разработка залежей высоковязких нефтей и природных битумов является одним из эффективных методов, обеспечивающих максимальное использование углеводородного сырья.

Ярегское нефтетитановое месторождение является уникальным с точки зрения разработки и внедрения новых технологий подготовки и разработки высоковязких нефтей подземным способом. Оно приурочено к центральной и Юго-Восточной частям свода Ухтинской .складки. Месторождение содержит большие запасы тяжелой вязкой нефти и титановой руды, которые представлены в одном пологозалегающем пласте песчаников на глубине от 120 до 210 м.

Промышленное значение имеют тяжелая высоковязкая нефть и титановая руда.

Впервые в мировой практике на этом месторождении внедрена в промышленном масштабе термошахтная технология добычи нефти.

При комплексном освоении месторождения необходимо обосновать такие схемы подготовки и отработки, которые бы позволили с минимальными затратами получить максимальную нефтеотдачу пласта, попутно извлечь из недр титановую руду и обеспечить безопасность ведения работ.

Решение этих задач возможно при решении проблем обеспечения устойчивости и крепления горных выработок, вскрывающих месторождение.

Натурные наблюдения за состоянием выработок нефтешахт показывают, что основными формами потери их устойчивости являются:

• вывалообразование пород в кровле горных выработок в зонах скрытой трещиноватости и нарушенности в результате паропрогрева нефтенасыщенно-го массива;

• деформирование почвы горных выработок, приводящее к разрушению крепи, в результате водо-и нефтенасыщения массива горных пород.

Горные выработки нефтешахт Яреги заложены, как правило, в аргилли-то-алевролитовых толщах и нефтенасыщенных песчаниках, склонных к пучению.

Поэтому проблема их эффективного крепления и поддержания состоит из комплекса вопросов, связанных с повышением устойчивости породных обнажений выработки и снижением напряженного состояния массива, выбором конструкции крепи и технологии ее возведения.

Настоящая работа посвящена исследованиям смещений пород, вмещающих горные выработки, и разработки способов и средств охраны выработок за счет применения эффективных типов крепи и снижения напряженного состояния массива.

Основной целью диссертационной работы являются:

- геомеханическое обоснование способов повышения устойчивости горных выработок нефтешахт.

Основная идея работы состоит: в повышении устойчивости выработок путем управления напряженно-деформированным состоянием почвы капитальных выработок и упрочнении пород кровли.

Научная новизна работы состоит:

- в установлении зависимостей по определению размеров областей предельного состояния вокруг выработок некругового очертания, учитывающих прочностные свойства пород, снижение прочности вследствие их водонеф-тенасыщения, форму, размеры выработок и глубину их заложения;

- в разработке метода расчета смещений пород вокруг горных выработок, учитывающего размер и очертание областей предельного состояния, воктуг них, нарушенность приконтурной зоны массива, технологию проведения выработки, прочностные, деформационные и реологические свойства пород, их разупрочнение от увлажнения и набухаемость глиносодержащих слоев массива;

- в выявленных экспериментальных зависимостях прочностных характеристик тампонажного камня от рецептуры тампонажных растворов на основе известковых вяжущих из материалов местных карьеров для упрочнения пород в нарушенных зонах.

Основные защищаемые научные положения:

- геомеханическая модель деформирования массива, вокруг горной выработки, учитывающая прочностные, структурные, деформационные и реологические свойства горных пород, форму и размеры поперечного сечения выработки;

- повышение устойчивости выработок достигается уменьшением размера зоны водонасыщения, снижением напряженного состояния массива за счет щелевой разгрузки почвы и применением поддерживающих крепей с ограниченной податливостью;

- упрочнение кровли выработок в зонах трещиноватости и нарушенности достигается предварительным или последующим упрочнением массива горных пород тампонажными растворами на основе вяжущих из известняков местных карьеров или их комбинации с цементными вяжущими.

Достоверность защищаемых положений, выводов и рекомендаиий подтверждается: применением современных методов анализа, представительным объемом фактических данных, хорошей сходимостью фактических и прогнозируемых значений исследуемых показателей.

Практическая значимость работы заключается в разработке технологических и организационных мероприятий, обеспечивающих эффективное поддержание горных выработок в эксплуатационном состоянии за весь срок существования, в разработке методики прогноза ожидаемых смещений контура выработок и в обосновании технологии скрепления горных пород при проходке по нарушенным зонам.

Реализация результатов диссертаиионной работы. Разработанные в диссертации типы и параметры податливых крепей основных выработок туфи-тового горизонта, щелевая разгрузка массива горных пород в почве и упрочнение приконтурной области кровли выработок широко используются на нефте-шехтах.

Основные положения работы в целом и отдельные предложения, выработанные в процессе ее выполнения, обсуждались и получили одобрение на Коми республиканских семинарах, проводимых научным центром Уральского отделения АН, на заседаниях Ученого совета института "ПечорНИПИнефть" и заседаниях технико-экономического совета ЗАО "Битран".

По материалам диссертации опубликовано 3 работы, из которых один патент и одно изобретение.

Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения. Изложена на 132 страницах машинописного текста, содержит 41 рисунок, 17 таблиц и список литературы из 59 наименований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе содержится решение актуальной задачи по-обоснованию способов повышения устойчивости выработок при комплексном освоении нефтетитановых месторождений, имеющей существенное значение для шахтного строительства.

Наиболее важные научные и практические результаты работы заключается в следующем:

1. На основе натурных исследований выявлены формы потери устойчивости выработок нефтешахт, состоящие в вывалообразовании пород кровли в зонах скрытой трещиноватости и деформировании почвы выработок в результате паропрогрева нефтенасыщенного массива и водонасыщения горных пород.

2. Обоснована геомеханическая модель деформирования массива вокруг выработок, учитывающая прочностные, деформационные и реологические свойства горных пород, их изменение вследствие водонасыщения, размеры области предельного состояния и форму поперечногосечения горной выработки.

3. Установлена зависимость по определению размеров области предельного состояния вокруг выработок некругового очертания, учитывающая прочностные свойства пород, степень их водо-нефтенасыщения, форму, размеры выработок и глубину их заложения.

4. Разработан метод расчета смещений массива вокруг горных выработок, учитывающий размер и очертание области предельного состояния, нарушен-ность приконтурной зоны массива, технологию проходки, прочностные, деформационные и реологические свойства пород, их разупрочнение от увлажнения и набухаемость глиносодержащих слоев массива.

5. Упрочнение приконтурной области кровли выработок в зонах скрытой трещиноватости и нарушенности достигается предварительным или после

126 дующим скреплением горных пород тампонажными растворами на вяжущих из известняков местных карьеров или их комбинаций с цементными вяжущими. Установлены экспериментальные зависимости пределов прочности тампонажного камня от рецептуры растворов с известняковыми и цементными вяжущими.

6. Снижение смещений пород почвы горных выработок достигается уменьшение размера зоны водонасыщения массива, щелевой разгрузкой напряженного состояния массива и применении поддерживающих крепей с ограниченной податливостью. Обоснованы параметры щелей на основе исследования закономерностей распределение вокруг выработок со щелями.

7. Обоснованы типы и параметры крепей горных выработок нефтешахт. Для выработок околоствольных дворов предложена монолитная бетонная сводчатая крепь с демпфирирующими прокладками и разгрузкой почвы щелями.

Для крепления выработок туффитового горизонта разработаны конструкций металлических податливых крепей с узлами податливости на шпильках и пластинах.

1. Руппенейт К.В. Некоторые вопросы механики горных пород, М., Углетехиз-дат, 1954г., 379 с.

2. Сажин B.C. Упруго-пластическое распределение напряжений вокруг горных выработок различного очертания, М., Наука, 1968г., 90 с.

3. Тюнькин Б.А., Коноплев Ю.П. Опыт подземной разработки нефтяных месторождений и основные направления развития термошахтного способа добычи нефти, Ухта, 1996г., 157 с.

4. Авджиев Г.Р. Извлечение нефти при комплексной переработке нефтенасы-щенной титановой руды Ярегского месторождения, Сб. Научных трудов инОта «ПечорНИПинефть», Ухта, 1990г.

5. Броз К вопросу рудничной разработки нефтяного месторождения в Экбелле. Н.Х., 1940г., №2.

6. Временные правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок месторождений руд цветных металлов с неизученным процессом сдвижения горных пород, JL, ВНИМИ.

7. Методические указания по управлению горным давлением при сплошных системах разработки с твердеющей закладкой на рудниках Норильского ГМК, Л., ВНИМИ, 1987г.

8. Юдин Е.Я., Спиридонов Ю.А., Тюнькин Б.А., Юдин А.Е. О перспективах развития термошахтного способа добычи нефти, Сб. Научных трудов «Термические методы повышения нефтеотдачи пластов», М., Наука, 1990г.

9. Инструкция по введению растворителя в теплоноситель, С-Пб., СПГГУ, 1997г.

10. Ю.Ставрогин А.Н., Протосеня А.Г. Механика деформирования и разрушения горных пород, М., Недра, 1992г., 222 с.

11. П.Ивлев Д.Д., Ершов Л.В. Метод возмущений в теории упругопластического тела, М., Наука, 1978г.

12. Черняк И.Л. Предотвращение пучения почвы горных выработок, М., Недра, 1978г., 236с.

13. Ставрогин А.Н., Протосеня А.Г. Пластичность горных пород, М., Недра, 1979г., 300с.

14. Ержанов Ж.С. Теория ползучести горных пород и её приложения, Алма-Ата, М., 1964г., 173с.

15. Лыткин В.А. Механизм пучения пород в подземных выработках, М., Недра, 1965г., 130с.

16. Максимов А.П. Выдавливание горных пород и устойчивость подземных выработок, М., Горгортехиздат, 1963г., 145сю17.3аславский Ю.З., Дружко Е.Б. Новые виды крепи горных выработок, М., Недра, 1989г., 255с.

17. Баклашов И.В., Картозья Б.А. Механика подземных сооружений и конструкций крепи, М., Недра, 1984г., 411с.

18. Фисенко Г.Д. Предельное состояние горных пород вокруг выработок, М., Недра, 1976г.

19. Геомеханическое обоснование способов поддержания выработок околоствольных дворов в пучащих породах НШУ «Яреганефть», отчет по НИР, ЛГИ, 1991г.

20. Дружко Е.Б., Заславский Ю.З., Перепичка Ф.И. Устойчивость основных горных выработок Донецк, 1975г.24.3аславский Ю.З., Мостков В.М. Крепление подземных сооружений М., Недра, 1979г.

21. Литвинский Г.Г. Монолитная оболочка выработки из разгруженных и упрочненных пород.-«Шахтное строительство», 1981г., №12,с. 17-20

22. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений М., Недра, 1974г.

23. Долгий И.Е., Конокотов Н.С. Совершенствование способов охраны горизонтальных пластовых подготовительных горных выработок в условиях ПО «Воркутауголь» Устойчивость выработок в сложных условиях JL, ЛГИ, 1990г.

24. Андрианов Р.Н., Левчук В.Н., Павлов B.C. Исследование пучения почвы в одинарных выработках Бесцеликовая отработка угольных пластов в условиях Печорского бассейна, Вып. 12, М., Недра, 1970г.

25. Долгий И.Е., Андрющенко К.Е., Горенок А.К., Гусельников Л.М. Охрана повторно используемых подготовительных пластовых горных выработок. Крепление и поддержание горных выработок, СПб, 1992г.

26. Eckart D., Gimm W., Thoma К. Plotzliche Ausbruche von Gestein und Gas im Bergbau/ Leipzig: F.F No, 1966.

27. Winter U/ Untertaggeophysik im Kali-undd Steinsalzbergsnau zur Bekampfung der Gas- und Zaugenngefahr. Leipzig: VEB Deutscher Vtrlag fur Grundstoffin-dustrie, 1966 - 156s.

28. Untersuchunden zur Gebirgs Schlaggefahrlichkeit von Gesteinen des Kaliber-baus. Leipzig, 1965, 895 s.

29. Долгий И.Е. Поддержание пластовых горизонтальных выработок при бесце-ликовой отработке пластов Механика горных пород, Том 123, СПб, 1990г.

30. Гайдук Ю.А. Новые виды шахтных крепей и область их применения, М., Изд-во ИПК, 1980г.

31. Лисичкин В.Г., Висоин Ю.А., Берлявский Г.П. Анализ тенденций в применении металлических арочных крепей на угольных шахтах. / Шахтное строительство, №1,1984г.

32. Руппенейт К.В., Гомес И.О. О напряженномсостоянии массива около подготовительных выработок. Вопросы горного давления, Новосибирск, ИГД СО АН СССР, 1962г., №12, с. 17-25.

33. Сонин С.Д., Шейхет М.Н., Черняк И.Л. и др. Борьба с пучением пород в горных выработках, М., Недра, 1966г.,200с.

34. Гелескул М.Н., Каретников В.Н. Справочник по креплению капитальных и подготовительных выработок, М., Недра, 1982г., 470с.

35. Каретников В.Н., Клейменов В.Б., Нуждихин А.Г. Крепление капитальных и подготовительных выработок, Справочник, М., Недра, 1989г., 571с.

36. Саратикян С.А. Научные разработки ДонУГИ в области проведения, крепления и охраны горных выработок, Уголь, 1983г., №9, с.22-24.

37. Картозия Б.А., Ерофеев JI.M. Основные направления в области совершенствования креплений горных выработок угольных шахт, Шахтное строительство, 1987г., №6, с.4-8.

38. Гелескул М.Н. Пути снижения объема ремонтных работ и затрат на поддержание горных выработок угольных шахт, Уголь, 1973г., №9, с. 12

39. Кузнецов Г.Н., Ардашев К.А., Филатов Н.А. Методы и средства решения задач геомеханики, М., Недра, 1987г., 248с.

40. Руководство по проектированию подземных горных выработок и расчету крепи, ВНИМИ, ВНИИОНШС, М., Стройиздат, 1983г.

41. Шпрут Ф. Металлическая крепь подготовительных выработок, М., Углетех-издат, 1968г., 234с.

42. Гелескул М.Н., Каретников В.Н. Справочник по креплению капитальных и подготовительных горных выработок, М., Недра, 1982г.

43. Кошелев К.В., Тарасьев В.В., Петренко Ю.А., Игнатович Н.В. Новый способ поддержания горных выработок, Шахтное строительство, №6, 1987г., с.8-9

44. Литвицкий Г.Г., Захарченко И.Н. Опытно-промышленные испытания борьбы с пучением почвы активной разгрузкой с последующим упрочнением пород, Уголь Украины, №8,1984г., с. 17-18.

45. Кошелев К.В., Томасов А.Г. Поддержание, ремонт и восстановление горных выработок, М., недра, 1985г., 215с.

46. Кошелев К.В., Довженко В.И. Щелевой способ разгрузки породного массива. Проектирование и строительство угольных предприятий. Вып.6, М., ЦНИЭИУголь, 1965г., с.37-40.

47. Кошелев К.В., Тарасьев В.В., Петренко Ю.А., Игнатович Н.В. Новый способ поддержания горных выработок. Шахтное строительство, №6, 1987г., с.8-9.53 .Инструкция по выбору рамной металлической податливой крепи горных выработок. Л., ВНИМИ, 1986г., 48с.

48. Фотеев В.Ф., Клещенко В.М. Проведение горных выработок одиночным забоем, Уголь, №2,1980г., с. 15-19.

49. Черняк И.Л., Крылов И.В. Влияние сопротивления крепи на устойчивость кровли подготовительных выработок. Уголь, «11,1985г., с.9-11.

50. Методические рекомендации по оценке экономической эффективности инновационных работ. М., ЦНИЭИуголь, 1994г., 23с.

51. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов и их отбора для финансирования. Офиц. Издание НПКВЦ «Терин-вест», М., 1994г., 80с.