автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.01, диссертация на тему:Разработка методики прогнозирования глубины нарушения скважин на основе маркшейдерских наблюдений при подземной газификации углей

ВВЕДЕНИЕ.

Глава I. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ПРОЦЕССА СДВИЖЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД И УСЛОВИЙ УСТОЙЧИВОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СКВАЖИН ПРИ ПОДЗЕМНОЙ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЕЙ. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Анализ литературных и фондовых источников по изученности вопроса сдвижения горных пород и устойчивости технологических скважин.Ю

1.2. Цели и задачи исследований.

Глава 2. ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОРОД АНГРЕНСКОГО УГОЛЬНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ.

2.1. Геологическое строение.

2.2. Физико-механические свойства горных пород.

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СДВИЖЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД НА НАРУШЕНИЕ ОБСАДНЫХ КОЛОНН ВЕРТИКАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СКВАЖИН.

3.1. Технология выгазования угольного пласта на Ангренской станции "Подземгаз".

3.2. Обследование нарушенных обсадных колонн технологических скважин.

3.3. Влияние высоких температур на прочностные характеристики обсадных колонн.

3.4. Влияние геологического строения массива пород на местоположение нарушения обсадных колонн.

3.4.1. Нарушение обсадных колонн под влиянием горизонтальных сдвижений горных пород в массиве.

3.4.2. Нарушение обсадных колонн под влиянием вертикальных сдвижений горных пород в массиве.

3.4.3. Влияние особенностей геологического строения подработанного породного массива на нарушение обсадных колонн.

3.5. Результаты обработки данных обследования нарушенных скважин в конкретных горногеологических условиях с применением ЭВМ.

3.6. Влияние процесса сдвижения горных пород на местоположение нарушения обсадных колонн.

3.6.1. Горизонтальные сдвижения.

3.6.2. Вертикальные сдвижения.

3.6.3. Особенности сдвижения подработанного слоистого породного массива при подземной газификации углей. Ю

3.7. Методика расчета процесса сдвижения горных пород в массиве применительно к условиям Ангренского месторождения.

Глава 4. МЕРОПРИЯТИЯ ПО УМЕНЬПШНЙЮ ВРЕДНОГО ВЛИЯНИЯ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СДВИЖЕНИЙ ГОРНЫХ ПОРОД ПО ГЛУБИНЕ МАССИВА НА ОБСАДНЫЕ КОЛОННЫ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СКВАЖИН.

4.1. Создание полости в скважине камуфлетным взрывом.

4.2. Создание полости в скважине буровыми расширителями.

Глава 5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ СОЗДАНИЯ В СКВАЖИНЕ ПОЛОСТЕЙ ДЛЯ СОХРАНЕНИЯ ОБСАДНЫХ КОЛОНН ВЕРТИКАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СКВАЖИН.

5.1. Расчет технико-экономической эффективности создания полостей камуфлетным взрывом.

5.2. Расчет технико-экономической эффективности создания полостей буровыми расширителями для местного расширения скважин.

В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981-1985 г.г. и на период до 1990 года", намечено разработать и внедрить эффективные методы комплексного использования и переработки твердых и тяжелых жидких топлив, а также получения синтетических топлив.

В последние годы большое внимание в нашей стране и за рубежом уделяется совершенствованию подземной газификации углей.

При подземной газификации углей вскрытие угольного шгаста и его отработка ведется технологическими скважинами.

Вертикальные скважины бурятся и при шахтной выемке угля. Они необходимы для решения технических задач улучшения электроснабжения, лесоспуска, водоотлива, вентиляции, дегазации, ликвидации аварий и др.

Обсадные колонны вертикальных технологических скважин во время выемки полезного ископаемого из недр, в результате действия на них сдвижения горных пород, испытывают неравномерные по длине нагрузки, приводящие их к преждевременному выходу из строя, что влечет за собой нарушение режима технологии выгазо-вания угольного пласта и увеличению потерь угля в подземном газогенераторе.

Сохранение обсадных колонн на необходимый период является одной из нерешенных проблем при эксплуатации скважин на шахтах и скважинных методах добычи полезных ископаемых. Существующие способы и методы, направленные на увеличение срока службы эксплуатационных скважин требуют больших затрат которые не всегда себя оправдывают. Вопрос о прогнозировании глубины, на которой критические нагрузки подработанной толщи пород вызывают преждевременный выход из строя вертикальных скважин, не рассматривался.

Поэтому разработка методики прогнозирования глубины преждевременного выхода из строя вертикальных технологических скважин на основе маркшейдерских методов наблюдений за сдвижением горных пород в массиве, для обеспечения сохранности обсадных колонн технологических скважин на период отработки подготовленных запасов в условиях воздействия горизонтальных сдвижений пород при подземной газификации углей, является актуальной научной задачей.

Целью работы является установление закономерностей влияния подработннного массива сложенного слоями пород с различными прочностными характеристиками на местоположение нарушения обсадных колонн технологических скважин по глубине толщи пород, позволяющих разработать методику прогнозирования глубины преждевременного выхода из строя вертикальных технологических скважин на основе маркшейдерских методов наблюдений за сдвижением горных пород в массиве, .для обеспечения сохранности обсадных колонн технологических скважин на период отработки подготовленных запасов в условиях воздействия горизонтальных сдвижений пород при подземной газификации углей, применение которой позволит снизить затраты на подготовку угля к газификации.

Идея работы заключается в использовании закономерностей влияния горизонтальных сдвижений пород в массиве, на глубину нарушения обсадных колонн вертикальных технологических скважин с учетом особенностей геологического строения массива, для разработки рекомендаций по сохранению колонн вертикальных скважин позволяющих увеличить их срок службы.

Научные положения, разработанные лично соискателем и новизна: впервые установлено, что преждевременный выход из строя обсадных колонн вертикальных технологических скважин, под воздействием горизонтальных сдвижений пород, происходит ниже слоев крепких известняков за счет разности величины горизонтальных сдвижений, возникающих на границе зоны концентрации максимальных горизонтальных сдвижений горных пород с нижележащими, слоями пород, как на контакте слоев пород, так и в самих слоях. Величина смещения пород относительно оси скважины составляет 0,02 /77 ( /77- мощность выгазования утольного пласта); установлена зависимость положения границы зоны концентрации максимальных горизонтальных сдвижений в массиве от глубины залегания угольного пласта и его выгазованной мощности, расстояния между кровлей угольного пласта и почвой нижнего слоя крепких пород, суммарной мощности крепких пород, которая впервые позволила прогнозировать местоположение нарушения обсадных колонн технологических скважин от горизонтальных сдвижений по глубине массива; установлено, что полость разгрузки, созданная на ожидаемых глубинах нарушения обсадных колонн технологических скважин, снижает критические нагрузки на обсадные колонны, вызванные горизонтальными сдвижениями пород.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: удовлетворительной сходимостью (погрешность не превышает 15%) результатов прогнозирования глубины нарушения обсадных колонн технологических скважин от горизонтальных сдвижений пород по разработанной методике, с натурными измерениями местоположения нарушения технологических скважин в подработанном массиве, полученными в результате спуска в скважину, специально изготовленной ориентированной свинцовой печати; положительными результатами внедрения разработанных рекомендаций по устранению вредного влияния горизонтальных сдвижений пород на обсадные колонны вертикальных скважин.

Значение работы. Научное значение работы заключается в установлении зависимостей, характеризующих влияние геологического строения подработанного горного массива, сложенного слабыми и относительно крепкими слоями пород, развивающих существующие представления о прогнозировании глубины выхода из строя технологических скважин.

Практическое значение работы заключается в разработке методики прогнозирования глубины нарушения обсадных колонн технологических скважин на основе маркшейдерских методов наблюдений за сдвижением горных пород в массиве при подземной газификации угля. На основе этой методики разработаны "Методические рекомендации по устранению вредного влияния горизонтальных сдвижений подработанных горных пород на сохранность обсадных колонн вертикальных технологических скважин в процессе газификации угольного пласта", применительно к условиям Ангренской станции "Под-земгаз", позволившие проводить мероприятия обеспечивающие сохранность обсадных колонн технологических скважин на глубине их выхода из строя, что снизило затраты на подготовку угля к газификации.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Разработанные "Методические рекомендации. ." внедрены на Ангренской станции "Подземгаз" при расчетном годовом экономическом эффекте 19,7 тыс. руб.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на Ш областном семинаре "Применение математических методов и ЭВМ в геологии" (Новочеркасск, 1983 г.), расширенном семинаре лаборатории давления горных пород Московского горного института (Москва, 1982 г.), техническом совещании Ангренской станции "Подземгаз".

Автор выражает искреннюю благодарность доценту, кандидату технических наук Г.В.Орлову за консультации в процессе работы над диссертацией.

Результаты исследования влияния геологического строения массива пород на преждевременный выход из строя вертикальных технологических скважин показали, что деформация обсадных колонн от горизонтальных сдвижений происходит ниже слоев крепких пород, нез:аВисимо от их количества залегания в массиве и их суммарной мощности. На участке работы Ангренской станции "Подземгаз" относительно. крепкие слои пород представлены известняками (табл. 2.3). От вертикальных сдвижений обсадные колонны выходили из строя в слоях пород каолина, глин, и песчаника.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи разработки методики прогнозирования глубины преждевременного выхода из строя вертикальных технологических скважин на основе маркшейдерских методов наблюдений за сдвижением горных пород в массиве для обеспечения сохранности обсадных колонн технологических скважин на период отработки подготовленных запасов в условиях воздействия горизонтальных сдвижений пород при подземной газификации углей.

По результатам исследований сформулированы следующие выводы:

1. Установлено,что преждевременный выход из строя обсадных колонн вертикальных технологических скважин, под воздействием горизонтальных сдвижений пород, происходит за счет разности величин горизонтальных сдвижений, возникающих на границе зоны концентрации максимальных горизонтальных сдвижений горных пород с нижележащими слоями пород. Величина смещения пород относительно оси скважины составляет 0,02 /77 ( /77 - мощность выгазования угольного пласта).

2. Установлено, что нарушение технологических скважин от горизонтальных сдвижений горных пород в массиве, происходит ниже слоев крепких известняков, как в самих породах (70$), так и на их контакте.

3. Установлена зависимость глубины выхода из строя технологических скважин от глубины залегания угольного пласта и его выгазованной мощности, расстояния между кровлей угольного пласта и почвой нижнего слоя крепких известняков, суммарной мощности крепких известняков, позволяющая прогнозировать глубину нарушения технологических скважин от горизонтальных сдвижений пород в подработанном слоистом массиве.

4. Разработаны мероприятия по устранению вредного влияния горизонтальных сдвижений пород в массиве на обсадные колонны технологических скважин, заключающиеся в создании камуфлетным взрывом или буровым расширителем, на расчетной глубине выхода из строя технологических скважин, полости разгрузки.

5. "Методические рекомендации по устранению вредного влияния горизонтальных сдвижений подработанных горных пород на сохранность обсадных колона вертикальных технологических скважин в процессе газификации угольного пласта", внедрены Ангренской станцией "Подземгаз". Расчетный экономический эффект при увеличении срока службы технологических скважин, составил 19,7 тыс.руб. в год за счет уменьшения затрат на подготовку угля к газификации.

1. Аверпшн С. Г, Сдвижение горных пород и поверхности при подземных разработках. - М.: Углетехиздат, 1947. - 245 с.

2. Аверпшн С.Г. Расчет сдвижения горных пород. Л.-М.: Металлургиздат, 1950. - 60 с.

3. Аверпшн С.Г, Расчет деформаций массива горных пород под влиянием подземных разработок. Л.: ВНИЬМ, 1970, - 87 с.

4. Аверпшн С,Г, Некоторые задачи теории сдвижений горных пород под влиянием подземных разработок. В сб.: Труды ВНИМИ, сб.89. - Л., 1973, с.17-28.

5. Агроскин A.A., Казак В.Н. Прогрев угольного пласта и вмещающих пород в процессе подземной газификации. Подземная газифиюция углей, 1959, $ 2.

6. Акимов А.Г., Козел A.M. Защита вертикальных стволов шахт от влияния очистных работ. М.: Недра, 1969.

7. Арипова: Ф.М. Физико-механические свойства горных пород некоторых месторовдений Средней Азии. Ташкент, Фан. 1977. -212 с.;

8. Бахурин И.М. Сдвижение горных пород под влиянием горных разработок. М.-Л.: Гостоптехиздат, 1946. - 231 с.

9. Бахурин И.М. Курс маркшейдерского дела. М.: Высшая школа, 1962. - 494 с.

10. Б^римов Ю.Г., Копылов A.C., Орлов A.B. "Бурение верхних интервалов глубоких скважин большого диаметра". М.: Недра, 1975. - 231 с.

11. Жуков B.B. Предварительные результаты изучения нару-шенности массива горных пород при выемке угольного пласта Ан-гренского месторовдения на участках с различной мощностью. -Подземная газификация углей, 1963, № 10.

12. Жуков В.В., Орлов Г.В. Оседание земной поверхности пригазификации угольного пласта на промышленном газогенераторе № 3

13. Ангренской1станции "Подземгаз". Подземная газификация углей, 1961, ß 12.

14. Жуков В.В., Орлов Г.В. Оценка характера выгазования мощного пологого угольного пласта маркшейдерским методом. -Использование газа, подземное хранение нефти и газа, термическая добыча полезных ископаемых, 1969, В 4.

15. Захаревич В.А. Очерк геологии Ангренского каалино*угольного месторождения. Ташкент, Фан, 1966, с.7-20.. > > < (

16. Иогансен К.В. Спутник буровика. М.: Недра, 1981, с.66-67.

17. Казак В.Н. Поведение кровли при ведении процесса газификации в горизонтальном наклонном канале на тонком угольном пласте. Подземная газификация углей, 1958, $ 3.

18. Казак В.Н., Шейнин В.И. Исследование физических, механических и термических свойств горных пород. Подземная газификация углей, 1963, В 10.

19. Казак В.Н. Механизм поведения пород при подземной газификации гонких пологих и наклонных каменноугольных пластов. Подземная газификация углей, 1965, II 13.

20. Казак В.Н., Орлов Г.В., Попов В.И. Деформация горных пород над выгазованным пространством угольного пласта. Использование газа, подземное хранение нефти и газа, термическая добыча полезных ископаемых, 1969, № 4.

21. Казак В.Н., Капралов В.К. К вопросу о влиянии размеров выработанного пространства по простиранию крупного угольного пласта. Использование газа, подземное хранение нефти и газа, термическая добыча полезных ископаемых, 1969, № 4, с.155-162. '

22. Казак В.Н., Капралов В.К. Характер деформации пород кровли при выемке по восстанию крупных угольных пластов средней мощности. Использование газа, подземное хранение нефти и газа, термическая добыча полезных ископаемых, 1971, № 5, с.128-132.

23. Казаковский Д.А. Сдвижение поверхности под влиянием горных разработок. М.-Х.:Углетехиздат, 1953. - 228 с.

24. Казаковский Д.А. Маркшейдерское дело. М.: Недра, 1970. - 229 с.

25. Козел A.M., Борисовец В.А., Репко A.A. Горное давление и способы поддержания вертикальных стволов. М.: Недра, 1976, - 293 с.

26. Козел A.M. Конструктивно-технические меры защиты стволов от влияния очистных работ. В сб.: Труды ВНИМИ, сб.83. - Л., 1973.

27. Крейнин Е.В., Гершкевич Э.Г., Жуков В.В., Орлов Г.В. Исследование поведения толщи пород при выгазовании мощногопологого угольного пласта. Промежуточный научно-технический отчет /ВНИИПРОМГАЗ. Москва, 1967. - 95 с.

28. Кутузов Б.Н., Рубцов В.К. и др. Проектирование взрывов. Учебное пособие, МГИ, - М., 1973. - 112 с.

29. Левченко И.А. Выбор места заложения технических скважин. В сб.: Разработка месторождений полезных ископаемых, вып.55. - Киев, Техника, 1980, с.42-47.

30. Левченко И.А. Влияние деформаций сдвига горных пород' на крепь технических скважин при разработке пологих пластов, -В сб.: Разработка месторождений полезных ископаемых, вып.61 -Киев, Техника, 1982, с Л 05-110.

31. Левченко И.А.', Бошенятов Е.В., Агарков А.К. Охрана технических скважин от сдвижения пород при подработке. Уголь Украины, 1983, № 10.

32. Лисица И.Г. Ориентировка шахт. М.: Углетехиздат, 1948. - 84 с.

33. Лисица И.Г., Погорелов А.И. Влияние тектонических нарушений на сдвижение горных пород на Никитовском месторождении. Горный журнал, 1983, 2, с.61-63.

34. Лисица И.Г., Ларченко В.Г. Вертикальные сдвижения и деформации горных пород над движущимся очистным забоем. -Известия высших учебных заведений. Горный журнал, 1984, $ 4, с.6-8.

35. Маслешшков И.К., Матвеев Г.И. Инструменты для бурения скважин. М.: Недра, 1981. - 335 с.

36. Медянцев А.Н. Погашение предохранительных целиков в Карагандинском угольном бассейне. М.: Углетехиздат, 1953. -20 с.

37. Медянцев А.Н. Сдвижение горных пород и земной поверхности под влиянием горных выработок. Новочеркасск: НПИ,1976. 83 о.

38. Медянцев А.Н., Навитный A.M. Основше направления послед овании сдвижения горных пород. Уголь, 1984, № 4, с.53-55.

39. Металловедение и термическая обработка стали. /Том It • •

40. Методы испытаний и исследования. / Под ред. Бернштейна М.Л., Рахштадта А.Г. М.: Металлургия, 1983, с.202-203.

41. Методика определения экономической эффективности использования в народном хозяйстве новой техники, изобретений и рационализаторских предложений. М., ГКНТ СССР, 1977. - 54 с.

42. Мозберг Р. Стали, их свойства и применение. Таллин: ШИ, 1964. - 71 с.

43. Немец Я.М. Жесткость и прочность стальных деталей.

44. М.: Машиностроение, 1970, с. 243-248.i - - - it

45. Нусинов Г.О., Казачкова С.Ц. Некоторые обобщения практического опыта подземной газификации в Подмосковном бассейне. -Использование газа, подземное хранение нефти и газа, термическая добыча полезных ископаемых, 1965, J£ I.

46. Орлов Г.В., Дудин В.Г. Сдвижение горных пород и земной поверхности при послоевой выемке угля. Технология добычи угля подземным способом, 1967, В 7, с.27-32.

47. Орлов Г.В. Исследование сдвижения горных пород и земной поверхности при подземных способах разработки мощных пологих угольных пластов {на примере Ангренского месторовдения).-Дисс. канд.техн.наук. М., 1967. - 168 с.

48. Шдрин А.Г. Расчет сдвиженля массива пород в зоне влияния очистного забоя. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, 1972, с.35-42.

49. Шадрин А.Г. Анализ и расчет траектории сдвижения точки земной поверхности при движущемся очистном забое. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, 1973, В I,с. 8-12.

50. Шадрин А.Г., Лгунов A.C. Расчет максимальных величин сдвижения земной поверхности при подземной разработке угольных месторождений. Известия высших учебных заведений. Горный журнал, 1973, $ II, с.53-58.

51. Шадрин А.Г., Фикс И.И., Ягунов A.C. Особенности сдвижения и расчет деформации в подработанном массиве горных пород.- В сб.: Труды ПЛИ, вып. 159. Перьмь, 1976, с.64-67.

52. ПЬдрин А.Г., Фикс И.И. Об изменении основных элементов процесса сдвижения горных пород с удалением от выработки.- В сб.: Труды ПЛИ, вып. 206. Перьмь, 1977, с.52-58.

53. МеСхпег Н., BukrLnskLj l/.A. Markscheidewesen für BerjjbaufachrLchiun^en. УЕВ Deutscher Vertag für ßrandsiojfindus'brle. Leipzig, 1977. s. 412.