МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНА ГІРНИЧА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

Борщевський Сергій Васильович

УДК 622. 252.8+622.831

ОБГРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ КОМБІНОВАНОЇ ТЕХНОЛОГІЇ

ПРОХОДКИ ВЕРТИКАЛЬНИХ ВИРОБОК ДІЮЧИХ ШАХТ

Спеціальність 05.15.04 - “Шахтне і підземне будівництво”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі “Будівництво шахт і підземних споруд” Донецького державного технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук,

ЛЕВІТ Віктор Володимирович, професор кафедри “Будівництво шахт і підземних споруд” Донецького державного технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук,

старший науковий співробітник,

ДРУЦКО Віталій Павлович,

завідувач відділом проведення і кріплення гірничих

виробок і випробувань конструкцій Державного науково-дослідного інституту організації і механізації шахтного будівництва Міністерства палива та енергетики України (м.Харків);

кандидат технічних наук,

ВИГОДІН Михайло Олександрович,

доцент кафедри “Будівництво шахт і підземних споруд” Національної гірничої академії України Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ).

Провідна установа: Донбаський гірничо-металургійний інститут Міністерства освіти і науки України, кафедра “Будівництво шахт і підземних споруд” (м.Алчевськ).

Захист дисертації відбудеться " 2 "березня 2001 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.04 при Національний гірничій академії України (49600, Україна, м. Дніпропетровськ - 27,просп. К.Маркса, 19).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національної гірничої академії України (49600, Україна, м. Дніпропетровськ - 27, просп. К.Маркса, 19).

Автореферат розісланий “ 29 ” січня 2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук,

старший науковий співробітник А.М. Роєнко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розвиток промисловості України неминуче пов'язаний з будівництвом нових і реконструкцією діючих вугільних шахт для забезпечення країни вугіллям.

У загальному комплексі будівництва сучасних шахт і рудників спорудження вертикальних стовбурів відноситься до категорії найбільше складних і трудомістких, що знаходяться на критичному шляху будівництва, і багато в чому визначає терміни уведення їх в експлуатацію. Тривалість спорудження стовбурів, які займають в загальному обсязі проходки гірничих виробок 15…20 %, сягає 35…50 % всього терміну будівництва шахти. Останнім часом темпи проходки зменшились з 72 до 22 м/міс. Причиною цього поряд із економічними чинниками стала відсутність нових технологічних схем проходки. Тепер домінує сполучена технологія, яка становить 88 %, при якій незмінно великий обсяг буровибухових (20 %) і навантажувальних (55 %) робіт.

Таким чином, для підготовки нових горизонтів на шахтах Донбасу необхідно значно збільшити швидкість проходки вертикальних стовбурів.

Аналіз стану техніки і технології в цьому плані показує, що перспективним напрямком є застосування комбінованої технології проходки вертикальних виробок шахт із використанням передової свердловини (КТП ВВ), а теоретичне узагальнення і розробка технологічних рішень її застосування - актуальна науково-технічна задача.

Зв'язок роботи з науковими програмами і темами. Дисертаційна робота виконана в рамках держбюджетної теми Г-17-90 “Дослідження та удосконалення технології будівництва і реконструкції глибоких шахт Донбасу з метою скорочення термінів і підвищення якості робіт” і відображена в техзвіті (№ держ. реєстрації 01910002226).

Мета роботи - обгрунтування параметрів ефективної технології проходки вертикальних виробок діючих шахт із передовою свердловиною, яка забезпечує підвищення економічності, технологічності і швидкості проходки.

Ідея роботи - використання попередньо пробуреної в проектному перерізі вертикальної виробки свердловини, раціональний діаметр якої ув'язаний із гірничо-технологічними і геомеханічними параметрами виробки, що проходять, з метою поліпшення техніко-економічних показників діючих шахт, які підлягають реконструкції.

Об'єкт дослідження - гірничо-геомеханічна система, що складається із вибою шахтного стовбуру і передової, пробуреної в його перерізі, свердловини.

Предмет дослідження - параметри КТП ВВ із урахуванням показників деформацій навколосвердловинного породного масиву, параметрів буровибухових робіт та перепуску розпушених порід по передовій свердловині.

Основні задачі досліджень полягали в наступному:

1)

2) геомеханічні дослідження взаємовпливу навколосвердловинного та навколовибійного породного простору стосовно обгрунтування параметрів буровибухових робіт і форми вибою стовбуру;

3) дослідження впливу параметрів буровибухових робіт, діаметру передової свердловини і форми вибою стовбуру на гранулометричний склад відбитої гірської маси й ефективність її перепуску;

4) розробка класифікації, регламентів застосування технологічних схем комбінованої проходки вертикальних виробок і обгрунтування критерію їхньої економічної оцінки.

Методи досліджень: аналітичні дослідження з використанням ЕОМ і з застосуванням положень механіки суцільного середовища і підземних споруд; аналіз і узагальнення науково-технічних досягнень по проблемі; математично-статистична обробка результатів експериментальних та лабораторних досліджень; лабораторні і шахтні експерименти; техніко-економічний аналіз.

Наукові положення, що виносяться на захист і їхня новизна.

1.

2.

Наукова новизна роботи

1.

2.

за рахунок різноглибинного закладення вибухових зарядів від поверхні вибою стовбуру і контуру передової свердловини з урахуванням розмірів зон непруж-

них деформацій, чим забезпечується підвищення якості дрібнення порід і стій-

кість свердловини.

3.

Обгрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій роботи підтверджена: використанням апробованих методик проведення досліджень; коректністю постановки шахтних і лабораторних експериментів, застосуванням методів математичної статистики щодо аналізу результатів експериментальних досліджень і встановлення емпіричних залежностей, задовільною збіжністю експериментальних і розрахункових даних (20%), позитивними результатами дослідно-промислової перевірки параметрів технології.

Наукове значення роботи полягає у встановленні закономірностей тривкого деформування порід на спряженні вибою стовбуру і передової свердловини і розкритті особливостей перепуску по ній подрібненої вибухом породи, що є базою обгрунтування параметрів і регламентів комбінованої технології проходки вертикальних виробок.

Практичне значення роботи міститься в:

-

-

-

-

-

Реалізація висновків і рекомендацій роботи. Розроблена технологія була використана проектним інститутом “Дондіпрошахт” під час проектування проходки стовбурів і бункерів на шахтах Донбасу, які підлягають реконструкції. Результати досліджень впроваджені на шахтах ім.Ворошилова - ДХК Дзержинськвугілля, “Комсомолець Донбасу” - ДХК “Донвугілля”, ДВАТ “Жовтневий рудник”, ДХК “Спецшахтобуріння”.

Особистий внесок автора полягає в постановці задач дослідження, в створенні фізичної і емпіріо-аналітичної моделей процесу змінення пружно-деформованого стану вміщуючого стовбур і передову свердловину гірського масиву, статистичній обробці результатів експериментальних, натурних та лабораторних досліджень, в розробці нового теоретичного підходу щодо вибору регламентів комбінованої технології проведення вертикальних виробок та практичних рекомендацій, які забезпечують покращення техніко-економічних показників, в постановці задач і проведенні дослідно-промислової перевірки технології в умо-

вах шахти ім. Ворошилова ДХК “Дзержинськвугілля”.

Впровадження результатів дисертації в практику прохідницьких робіт шахт Донбасу здійснювалось при особистій участі автора.

Апробація роботи. Основні положення роботи доповідались на внутрішньоуніверситетскій конференції ДонДТУ за підсумками НДР (Донецьк, 1993 р.), на 3-й та 5-й науково-практичних конференціях випускників гірничого факультету (Донецьк, 1997 р., 2000 р.), на розширених засіданнях кафедри “Будівництво шахт і підземних споруд” ДонДТУ (Донецьк, 1998 р., 2000 р.), на міжнародній науково-практичній конференції (Алчевськ, 1999 р.), на регіональній конференції кафедри “Будівництво шахт і підземних споруд” ДонДТУ ( Донецьк, 1999 р.), на міжнародній науковій конференції (Дніпропетровськ, 1999 р.).

Публікації. Основні положення роботи в цілому та її окремі частини викладені у 18 наукових статтях, із них 7 - у фахових виданнях, спосіб проходки вертикальних шахтних стовбурів захищений авторським свідоцтвом (А.с. № 1809074).

Структура й обсяг дисертації. Дисертація містить вступ, 5 розділів і висновків, 32 рисунки, 11 таблиць, список літературних джерел із 166 найменувань, 9 додатків. Робота викладена на 128 сторінках, загальний обсяг 228 сторінок.

Автор виражає глибоку вдячність науковому керівнику доктору технічних наук В.В. Левіту, кандидату технічних наук, професору А.Г. Гузеєву, співробітникам кафедри “Будівництво шахт і підземних споруд” ДонДТУ, робітникам ДВАТ трест “Донецькшахтопроходка”, ДХК “Спецшахтобуріння” за цінні поради в процесі виконання досліджень.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Актуальність забезпечення України власним вугіллям підтверджує важливість будівництва і реконструкції шахт. Основним компонентом цієї задачі є спорудження та поглиблення шахтних стовбурів, як найбільш складної ланки в шахтному будівництві.

Перший розділ дисертації присвячений аналізу та узагальненню вітчизняного і закордонного досвіду спорудження вертикальних стовбурів, досягнутим техніко-економічним показникам проходки, що дозволило зробити висновок про великі невикористані резерви удосконалювання технології проходки вертикальних гірничих виробок. Розглянуті схеми оснащення, що застосовувались і технологію спорудження неглибоких і глибоких стовбурів та виявлені їхні особливості. Аналізом показано, що використання пробуреної в перерізі виробки передової свердловини і розширення її буровибуховим способом до проектного перерізу дозволяє значно збільшити темпи проходки.

Проте, застосування комбінованої технології стримувалося низкою причин, основні з яких: відсутність геомеханічного і гірничо-технологічного обгрунтування умов безаварійного пропускання породи по свердловині, відсутність нижнього горизонту, недостатній рівень розвитку бурової техніки та ін.

Недостатньо розкриті задачі комплексної ув'язки всіх параметрів комбінованої технології.

Найважливіша складова технології – вибір параметрів та буріння передової свердловини. Різноманітність в технології буріння, принципах руйнування поро-ди, засобах передачі зусиль, напрямку буріння, наявності нижнього горизонту обумовили необхідність побудови класифікаційної схеми способів буріння. Наявність нижнього горизонту, розміри свердловини, вивчення 112 бурових установок визначили підхід щодо класифікації технологічних схем буріння які увійшли до технологічних регламентів. Всі схеми поділені на два класи. До класу А віднесено буріння між горизонтами, до класу Б - буріння з поверхні.

Потребує поглибленого вивчення задача перепуску розпушених порід по передовій свердловині. Розробкою питань щодо визначення росходу сипучого матеріалу через отвір у рудоспусках, визначенням геометричних розмірів лійки випуску, характером внутрішніх переміщень часток сипучого матеріалу при випуску займалися Г.М. Малахов, В.Р. Безух і В.Д. Петренко, В.В. Ржевський і Ю.А. Аністратов, Н.Г. Дубинін, Д.І. Рафієнко та ін. Дані роботи мають значний інтерес, вони стали основою для дослідження умов безаварійного випуску гірської породи через свердловину стосовно проходки стовбурів шахт.

Однак, вивчення вітчизняного і закордонного досвіду комбінованої техно-логії, пов'язаної із примусовим випуском породи, підтверджує, що має місце ряд невирішених питань в її обгрунтувані і реалізації.

До недоліків технології слід віднести: систематичні “затори” свердловини під час випуску породи, великий обсяг породи, що примусово пропускається через свердловину і необхідність використання затворного пристрою, що ускладнює й удорожчує роботи; каверноутворення в стінках свердловини, що призводить до втрати її стійкості і збільшення можливості затору; відсутність ув'язування параметрів паспортів БВР, форми вибою зі співвідношенням діаметрів свердловини і стовбуру і гранулометричним складом розпушеної породи; відсутність економічних критеріїв експрес-оцінки технологічних схем на стадії їхнього вибору.

Поряд із гірничо-технологічною передумовою удосконалення КТП ВВ дуже важливе значення має геомеханічна компонента. Вплив її та необхідність урахування пов'язані з неоднорідністю полів напружень та деформацій довкола гірничих виробок, зумовленою літолого-геомеханічними характеристиками порід та гірничо-технологічними факторами, розвитком тріщиноутворення, зон дезінтеграції порідного масиву, що в сукупності викликає зниження міцності порід і стійкості виробок. Значний внесок в розробку цих питань внесли В.В. Виноградов, М.О. Вигодін, В.П. Друцко, М.П. Зборщик, Б.А. Картозія, Г.Г. Литвинський, О.П. Максимов, Л.В. Новікова, В.В. Назімко, Л.Я. Парчевський, А.М. Роєнко, Б.М. Усаченко, Ю.М. Халімендік, І.Л. Черняк, О.М. Шашенко.

Геомеханічна оцінка досліджуваної технології враховує насамперед взаємовплив процесів, які відбуваються у навколовибійному просторі стовбура і навколоконтурному до свердловини масиві. Стан порід і характер процесів в них залежать від гірничо-геологічних умов проходження стовбура, параметрів буровибухових робіт, співвідношення геометричних параметрів стовбуру і передової свердловини. Вертикальна свердловина круглого перерізу, пробурена у породному масиві по центру шахтного стовбура, вносить зміни в напружений стан навколовибійного простору. Вибуховий циклічний технологічний вплив на масив і навколоконтурні породи біля свердловини в умовах суперпозиції статичних і динамічних напружень формують нові умови розвитку фронту руйнування порід навколо свердловини. Приймаючи вище викладений механізм деформаційних процесів навколо вертикальних виробок, доказана необхідність вивчення таких питань: 1) встановлення та опис механізму руйнування порід у системі, “навколовибійний простір стовбуру - масив порід навколо свердловини”; 2) кількісна оцінка зон руйнації порід навколо свердловини в залежності від їхніх геометричних параметрів і літолого-геомеханічних характеристик масиву; 3) встановлення взаємозв'язків між показниками деформування порід, параметрами вибухової відбійки і показниками фракційного складу одержуваної гірської маси, що пропускається по передовій свердловині.

Постановка наукової задачі обгрунтування параметрів комбінованої технології проходки стовбурів із передовою свердловиною, потребує саме такого сукупного і комплексного вивчення проблеми. Результати цих досліджень складають необхідну базу для обгрунтування рішень по стабільній керованості станом ділянки сполучення вибою стовбуру і свердловини, вибору раціональних параметрів БВР із погляду стійкості свердловини і забезпечення пропускання гірської маси по свердловині. З огляду на сказане, найважливішою задачею для удосконалювання відомих методів оцінки стійкості свердловини й обгрунтування технологічних рішень по комбінованій технології, є аналіз фактичного матеріалу за даними вимірів у свердловинах, установлення зв'язків між показниками, що визначають їхній експлуатаційний стан.

Другий розділ присвячений дослідженню закономірностей процесів, що

відбуваються в навколо вибійному просторі стовбуру і біля свердловинному порідному масиві, які залежать від гірничо-геологічних умов проходки стовбуру, параметрів буровибухових робіт, співвідношення геометричних параметрів стовбуру і передової свердловини. Необхідно підкреслити, що важливими є два моменти: оцінка виникнення і розвитку зони непружних деформацій навколо свердловини і оцінка стійкості незакріплених її стінок. Вивчення стійкості системи “масив вибою стовбуру - масив порід навколо передової свердловини” виконано на основі литолого-геомеханічної оцінки стійкості сполучення вибою і свердловини як конструкції, що забезпечує ефективну і безпечну прохідку. Показано, що сполучення повинно задовольняти геомеханічним вимогам по стійкості незакріпленої передової свердловини і технологічним - по забезпеченню довготривалої пропускної спроможності по ній гірської маси. Враховуючи, що значна частка загальної трудомісткості спорудження вертикального стовбура припадає на прибирання відбитої гірської маси, виконане геомеханіче обгрунтовання форми вибою стовбура, при якій забезпечується максимально самопливний вільний перепуск роздріблених вибухом порід по свердловині. У зв'язку з цим технологічні рішення при наявності передової свердловини у вибою стовбуру знаходяться із використанням геомеханічних переваг конструкції вузла сполучення. По-перше, наявність свердловини як компенсаційної порожнини забезпечує зниження обсягу бурових робіт і витрати вибухових речовин при одночасному поліпшенні якості дрібнення порід і забезпеченні стійкості свердловини. По-друге, підвищується ефективність вибухового руйнування порід вибою стовбура за рахунок суперпозиції дії статичних (гравітаційних) і динамічних (від дії вибуху) напружень. І нарешті, по-третє, наявність передової свердловини по осі стовбура позитивно змінює напружений стан масиву порід навколовибійного простору убік його зниження, що важливо для довготривкої стійкості свердловини.

Таким чином, геомханічна задача пов’язана із знаходженням діаметру передової свердловини в залежності від очікуваних величин змінень навколоконтурних порід та кускуватості перепускаємої гірської маси.

У загальному вигляді діаметр передової свердловини визначається феноменологічною залежністю

(1)

де - очікувані зміщення порід у свердловину; - радіус зони непружних деформацій; - коефіцієнт структурного ослаблення; - коефіцієнт тріщинуватості.

Першим членом виразу (1) визначається розмір, на який варто збільшити діаметр свердловини з урахуванням очікуваних зміщень порід.

Друга складова виразу характеризує пропускну спроможність свердловини,

де – коефіцієнт прохідності свердловини по чиннику пропускної спроможно-

, - середній розмір куска породи.

Розроблено методику структурно-механічних досліджень деформаційних процесів навколо свердловин, що проходяться бурінням.

Вимірювання зон руйнування порід були проведені на 32 свердловинах по удосконаленій автором методиці каротажу, згідно якої прив'язка точок вимірів виконувалась як до висотних відміток, так і до літоскладу порід. Основні закономірності розвитку фронту руйнування порід навколо свердловини пов'язані із зональним характером деформаційних процесів і утворенням ближньої та зовнішньої зон.

Аналіз отриманої множини гістограм показує, що імовірність каверноутворення навколо свердловин має нерегулярний і переважно багатоекстремальний характер. Особливості тривалого руйнування порід навколо свердловини виявлено по залежності , де аргумент – показник умов, а функція – відношення діаметрів каверн і свердловин (- діаметр каверни).

Графічне уявлення оброблених даних вимірювань приведено на рис. 1, де показане поле кореляції , що дозволяє оцінити взаємозв'язки між літолого-механічним параметром умов і механічно-технологічним показником деформування навколосвердловинних порід.

Рис. 1. Залежність

Аналіз загального поля кореляції показує, що воно розділене на дві “хмари” точок статистичних даних, які характеризуються межами:

1,01 < 1,5 і 1,5 < 2,5. Розміри даних співвідношень визначають відносні раді-уси зони непружних деформацій і руйнації порід. Параметри ближньої зони (до 1,5) майже не залежать від літолого-геомеханічного показника, імовірніше че-рез те, що в інтервалі невеликих глибин наростання міцності йде інтенсивніше, ніж приріст напруженого стану. Параметри зовнішньої зони (до 2,5) залежать від рівня напруженості лінійно і визначають кількісні характеристики фронту руйнування порід у навколовибійно-навоколосвердловинному масиві.

Враховуючи результати цих досліджень, а також сучасні теоретичні уявлення про механізм руйнації порід навколо виробок (В.В. Виноградов, М.П. Зборщик, А.М. Зорін, Б.А. Картозія, Л.В. Новікова, І.Л. Черняк) розроблене механо-геометричне та виконано паспортно-технологічне моделювання розрахунково-конструктивної схеми системи “вибій стовбура – передова свердловина”, в яких відбите концептуальне положення про формування зон непружних деформацій і руйнації навколоконтурних порід біля гірничих виробок.

По об’ємно-планувальній ознаці на сполученні “вибій стовбура – передова свердловина” виділені: зона прилягання свердловини до вибою стовбуру, зона сполучення привибійного і навколосвердловинного масиву в перерізі стовбуру, протяжна ділянка свердловини (рис. 2).

Однією із вимог до технології проходки стовбуру в частині вибору раціональних місць закладання зарядів ВР і надання вибою уступної форми для ефективного випуску породи, що була зруйнована, є прив'язка природно-технічних зон, утворених перетинанням поверхні вибою і меж зон непружних деформацій із розташуванням шпурів.

Рис. 2. Схематичне механо-геометричне уявлення геомеханічного простору системи “вибій стовбура – передова свердловина”:

1 - ближня система (зона): порожнина свердловини - навколоконтурний масив; 2 - зовнішня зона: навколоконтурний - глибинний масиви.

Виходячи з цього, виконане паспортно-технологічне моделювання розрахун-

ково-конструкторської схеми системи “вибій стовбуру - передова свердловина”, обгрунто-ване сукупністю результатів лабораторних і шахтних досліджень. При цьому по контуру ближньої зони закладається перший ряд неглибоких шпурів для нормованого дріб-нення гірської породи, а по контуру зовнішньої - ряд глибоких шпурів, які забезпечують формування уступної лінії вибою. На рис. 3 подана схема закладання шпурів по кільцевим колам ближньої () і зовнішньої () зон, відповідно показані їхні глибини - і .

Рис. 3. Паспортно-технологічне моделювання розрахунково-конструктивної схеми системи “вибій стовбуру – передова свердловина”

Каротажні дослідження показали, що свердловина, яка являє собою циліндричну порожнину радіусом ( - діаметр), прой-дену у вуглепродуктивній товщі на глибину , підпадає впливу гірничого тиску, який посилюється реологічними ефектами, деформацією і руйнуванням порід, що змінює її початкову циліндричну форму. Вже мале збудження форми контуру при бурінні у вигляді наявності відколених виїмок призводить до додаткової концентрації напруження на стінках, що може стати причиною локальної або кругової руйнації порід навколо свердловини. Тривале руйнування порід відбувається у вигляді видавлювання їх у свердловину. Загалом все це в окремі періоди призводить до звуження перерізу свердловини,що зменшує її пропускну спроможність. У зв’язку з цим виконано аналіз даних вимірювань у свердловинах для визначення величини довготривкого зменшення її діаметру.

Видавлювання порід у порожнину свердловин спостерігалося на шахтах ім. Леніна, “Похила - 1”, “Комісарівська”, ім. П.Л. Войкова, “Єлизаветівська”, “Новогродівська - 3” і “Донецька - 1”. Узагальнені дані по деформуванню контуру зазначених свердловин на окремих глибинах приведені в табл. 1.

Таблиця 1

Дані про звуження свердловин

Шахта | , м | , м | Склад порід f = 1…6,% | , МПа | , м |

їм. Леніна | 3,2 | 310 | 48 | 40 | 0,918 | -0,26 | 0,0843

“Комісарівська” | 3,2 | 388 | 42 | 60 | 0,978 | -0,08 | 0,025

“Похила - 1” | 2,6 | 548

743 | 14

14 | 80

80 | 0,980

0,961 | -0,06

-0,11 | 0,023

0,042

П.Л. Войкова | 2,6 | 414

496 | 37

37 | 40

40 | 0,928

0,956 | -0,19

-0,11 | 0,073

0,042

“Новогродівська - 3” | 4,0 | 350

360 | 29

29 | 35

35 | 0,924

0,906 | -0,30

-0,38 | 0,075

0,095

“Донецька - 1” | 2,6 | 548 | 86 | 30 | 0,881 | -0,31 | 0,119“

Ясиновська-Глибока” | 3,87 | 424

590 | 29

29 | 70

70 | 0,917

0,904 | -0,32

-0,37 | 0,199

0,160

Аналізуючи дані табл. 1, можна зробити висновок про взаємозв'язок між розміром звуження свердловини, її діаметром, міцністю порід і глибиною знаходження перерізу свердловини.

Залежність між товщиною відторгнутих порід і в зонах руйнування має вигляд лінійної функції

, (2)

для якої коефіцієнт кореляції – 0,833, а похибка розрахунків не перевищує 15%.

Очевидною є необхідність вибору залежності для прогнозування звуження скважин.

З наданням фізичного змісту чинникам, від яких залежить вказана величина, отриманий вираз для обчислення граничних значень шуканого параметру у вигляді:

, (3)

де - залишкова міцність порід.Коригуюча залежність відбиває фізико-механічну сутність процесів і на відміну від рішень, що базуються на “безструктурних ” передумовах, враховує основні літоструктурні дефекти порід (), що впливають на розпушення порід, радіуси зон непружних деформацій.

Залежність справедлива у наступних межах зміни величин, що до неї входять: Для залежності (3) коефіцієнт кореляції складає 0,78, а відхилення розрахованого шуканого розміру від емпіричного, не перевищує в середньому 20 %. З метою прогнозування параметрів КТП ВВ визначений порівняльний аналіз даних вимірювань у свердловинах () і розрахованих величин відносних розмірів зони непружних деформацій ()біля виробок, яким показана універсальність аналітичного рішення пружно-пластичної задачі, враховуючої позамежове деформування порід (по В.В. Виноградову) для розрахунку параметрів зовнішньої зони (1,87…2,45). Значення розрахованих величин від експериментальних мають відхилення 14,4…22,4%.

У третьому розділі досліджені закономірності пропускної спроможності свердловини в залежності від її діаметру і гранулометричного складу породи шляхом фізичного моделювання в лабораторних умовах. Співвідношення середнього куска породи , яка пропускається і діаметра свердловини визначено у виді коефіцієнта прохідності . Лабораторні експерименти були проведені на моделі в масштабі 1:5. Отримане середньоарифметичне значення = 2,46 із середньоквадратичним відхиленням 0,026. Таким чином, для практичних розрахунків діаметру передової свердловини рекомендоване таке співвідношення:

(4)

Лабораторним шляхом обгрунтована багатоуступна форма вибою стовбура, що дозволяє максимально збільшити кількість породи, яка потрапляє у свердловину після вибухових робіт для вільного перепуску.

З метою вивчення кусковатості висадженої породи в шахтних умовах були проведені експерименти при поглибленні вентиляційного стовбуру шахти “Жовтневий рудник” по оптимізації параметрів паспорту БВР і оцінки їхнього впливу на гранулометричний склад породи, який визначався фотометричним методом. Друга відкрита поверхня, утворена при комбінованій технології передовою свердловиною, імітувалася випередженням вибою в центрі стовбуру, глибиною 2…2,5 м, що постійно підтримувалося.

Шахтні експерименти показали:

1.

2.

Лабораторні та шахтні експерименти дозволили оптимізувати параметри паспортів БВР з метою досягнення необхідного впливу на гранулометричний склад висадженої породи і підтримки обгрунтованої форми багатоуступного вибою. Це виконано в ув'язуванні з прогнозованим зменшенням діаметру свердловини на 15...20%, а також урахуванням типів серійного бурового устаткування, що дозволили визначити - мінімальний діаметр свердловини має бути не менше 1,20 м.

Для визначення діаметра свердловини в залежності від технології перепуску породи розроблена номограма (Рис. 4).

Рис. 4. Номограма для визначення технології перепуску породи в залежності від її кусковатості і диаметру свердловини

Ординати визначають зони вільно-го, півпримусового і примусового випусків породи. Криві відповідають діаметрам стовбурів вчорні. Спосіб випуску гірської маси із свердловини визначає мінімальний діаметр свердловини, що дозволяє вести проходку стовбура із застосуванням відгороджувальної конструкції. Виділені три ділянки, які погоджують із гранулометричним складом висадженої породи. Збільшення питомої витрати ВР дозволяє зменшити діаметр свердловини, проте це технологічно не завжди виправдано. Зменшені ж витрати ВР зумовлюють збільшення діаметру свердловини, що роботи cтають більш дорожчими і це також призводить до погіршення безпечних умов.

Четвертий розділ присвячений дослідно-промисловій перевірці параметрів комбінованої технології проходження гірничих виробок в умовах проходки породно-вугільного бункера стовбуру №3 шахти ім. Ворошилова ДХК “Дзержинськвугілля”. В експерименті оптимізація параметрів паспорта БВР виконана з урахуванням тріщинуватості і наявності другої відкритої поверхні, що дало змогу дозволило довести значення КВШ до значення 0,97...0,98, уникнути заторів щодо випуску породи з вибою на горизонт під час вибухових робіт, зменшити кількість породи, що залишається після вибуху на вибої стовбура.

Промислові випробування також показали, що:

1. Співвідношення діаметрів стовбура і свердловини без затвору не забезпечує безаварійний випуск породи через свердловину.

2. Обсяг камери на нижньому горизонті для магазинування породи повинний перевищувати об’єм породи, що була висаджена за один цикл на 10…15 %.

3.

У п'ятому розділі обгрунтовані основні технологічні регламенти КТП ВВ. Розроблена методика вибору оптимального діаметру свердловини як основної характеристики технології в ув'язуванні з параметрами БВР, діаметром стовбура, технологією випуску породи на нижній горизонт. У залежності від гірничотехнічних умов розроблені й класифіковані можливі варіанти технології будівництва стовбурів і бункерів по КТП. Визначені й уніфіковані основні положення регламенту прохідницького циклу.

Розроблені перспективні схеми проходки та поглиблення вертикальних виробок, одна з яких захищена авторським свідоцтвом АС № 1809074, суть якої полягає в розширенні області застосування технології при відсутності нижнього горизонту, роль якого виконує металевий циліндр, що перекриває свердловину у період ведення БВР і забезпечує находження бад’ї під час погрузки породи нижче лінії вибою.

Для обґрунтування застосування КТП на початковій стадії проектування запропоновано критерій економічної ефективності технології, що була розроблена. Запропонований критерійвраховує вартість прохідницьких робіт згідно традиційній і комбінованій технологіям у залежності від діаметру виробки і міцності порід, витрат на навантаження на горизонті, вартості буріння свердловини,твитрат загально шахтних і по оснащенню виробки на 1 м.

У загальному виді умови економічної доцільності застосування КТП виглядають

. (5)

Для практичних цілей залежність критерію тільки від міцності порід має вигляд:

(6)

Для експрес-оцінки виправдана лінійна залежність, що була отримана .

Графічною побудовою залежності, що визначає критерій (рис. 5) виділено 3 зони:

Рис. 5. Графік экспрес-оцінки доцільності проходки вертикальних виробок щодо комбінованої технології:

1 – доцільність по даним практики;

2- теоретична доцільність

1 зона - міцність порід, що мають < 8. Застосування комбінованої технології економічно виправдано для більшості схем оснащення.

2 зона - міцність порід, що мають= 8…12. При виборі схеми проходки необхідне детальне економічне обґрунтування і зіставлення декількох варіантів, що враховують терміни проходки, наявне устаткування, наявність водовідливу й навантаження на нижньому горизонті.

3 зона - міцність порід, що мають > 12. Застосування комбінованої технології недоцільно у зв'язку з підвищеними витратами на буріння свердловини. Проте, у процесі й розвитку технології буріння, можливе розширення області використання комбінованої технології проходки у цих умовах.

Висновки

У дисертації подане нове рішення актуальної науково-технічної задачі, що складається у більш глибокому геомеханічному розкритті і кількісному обґрунтуванні параметрів і стійкості передової свердловини, як основного і визначального чинника КТП вертикальних стовбурів, пробуреної у перерізі вертикальної виробки, та встановленні особливостей перепуску по ній подрібненої вибухом породи, реалізованих у вигляді емпіричних формул і номограм, які склали теоретичну основу вибору регламентів комбінованої технології проходки вертикальних виробок.

Основні висновки, наукові і практичні результати досліджень полягають у наступному:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

Економічний ефект, що очікується за рахунок використання обґрунтованих параметрів КТП складає більш 54 тис.грн. (за цінами 1984 року).

Основні розробки дисертаційної роботи впроваджені на шахтах ім. Ворошилова ДХК “Дзержинськвугілля”, “Жовтневий рудник”, “Комсомолець Донбасу” і прийняті до використання ДХК “Спецшахтобуріння” та інститутом “Дондіпрошахт” при проектуванні будівництва й реконструкції шахт Донбасу.

Основний зміст дисертації опублікований у роботах:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

Донецк. Политех. ин-т, Донецк, ЦБНТИ, 1998. - С. 24.

11.

Особистий внесок автора в роботи, написані у співавторстві

2 - розробка та обґрунтування нового способу проходки вертикальних стовбурів; 3 - обґрунтовані прогресивні розробки по технологіям, розглянута можливість використання комбінованої технології проходки стовбура стосовно до екологічно чистого способу їх проходки без видачі породи на денну поверхню; 4 - аналіз причин незастосування комбінованої технології; розглянуто технологію проходки вертикальних виробок із використанням передової свердловини великого діаметра; 5 - розроблена класифікація схем проходки стосовно параметрів буріння свердловин та направлення їх розширення буровибуховим способом; 6 - обґрунтування коефіцієнту проходимості породи через передову свердловину і економічної доцільності комбінованої технології проходки; обґрунтування параметрів передової свердловини та комбінованої технології проходки вертикальних виробок; 7 - у авторському свідоцтві внески співавторів рівнозначні.

АНОТАЦІЯ

Борщевський С.В. Обґрунтування параметрів комбінованої технології проходки вертикальних виробок діючих шахт. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.04. - “Шахтне і підземне будівництво”. Національна гірнича академія України, Дніпропетровськ, 2001.

У роботі захищаються результати теоретичних і експериментальних досліджень закономірностей деформування масиву та особливостей розвитку геомеханічних процесів у привибійно-навколосвердловинному просторі, механізми і, кількісні показники яких покладені в основу механо-геометричного та паспортно-технологічного моделювання розрахунково-конструктивної системи “вибій стовбура - передова свердловина”. Досліджені параметри комбінованої технології проходки і виділений основний її чинник – діаметр передової свердловини. Досліджені закономірності пропускної спроможності свердловини у залежності від гранулометричного складу породи і визначені співвідношення середнього розміру куска породи, що пропускається і діаметра свердловини; установлені взаємозв'язки між показниками деформування порід, параметрами вибухової відбійки і фракційного складу гірської маси, яка отримується і пропускається по передовій свердловині. Розрахована форма уступного вибою, що дозволяє максимально збільшити кількість породи, яка потрапляє у свердловину після вибухових робіт. Даний критерій вибору раціонального діаметра свердловини. Оцінена економічна ефективність технології, що була розроблена. Результати досліджень опубліковані у 18 наукових статтях, із них 7 - у фахових виданнях і 1 авторському свідоцтві.

Ключові слова: шахтний стовбур, передова свердловина, гранулометричний склад порід, комбінована технологія проходки, ефективність.

АННОТАЦИЯ

Борщевский С.В. Обоснование параметров комбинированной технологии проходке вертикальных выработок действующих шахт. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.04. – “Шахтное и подземное строительство”. Национальная горная академия Украины, Днепропетровск, 2001.

Проанализировано состояние и перспективы строительства вертикальных стволов угольных шахт с целью увеличения объемов добычи угля. Показано, что за пятьдесят лет традиционная буровзрывная технология проходки вертикальных стволов угольных шахт не претерпела больших изменений как в Украине, так и за рубежом. Исследованы параметры комбинированной технологии проходки и выделен основной – диаметр передовой скважины. На основе проведенных каротажных работ изучен механизм кавернообразования в стенках скважины и составлено паспортно-технологическое моделирование расчетно-конструктивной схемы системы “забой ствола – передовая скважина”. Исследованы закономерности пропускной способности скважины в зависимости от гранулометрического состава породы и определено соотношение среднего размера куска пропускаемой породы и диаметра скважины, установлены взаимосвязи между показателями деформирования пород, параметрами взрывной отбойки и фракционным составом получаемой горной массы, пропускаемой по передовой скважине. Получено аналитическое выражение для оценки ожидаемых смещений контура скважин на величину которых необходимо увеличивать диаметр скважин, найденный по фактору эффективного пропуска горной массы. Рассчитана форма уступного забоя, позволяющего максимально увеличить количество породы, попадающей в скважину после взрывных работ. Исследованы и оптимизированы параметры паспортов БВР, оценено их влияние на гранулометрический состав взорванной породы. Исследованы особенности выпуска породы из забоя ствола при различных удельных расходах ВВ, соотношениях диаметров стволов и скважин, которые заложены в обоснование параметров комбинированной технологии проходки вертикальных выработок. В зависимости от горно-геологических, горно-технических условий разработаны и классифицированы возможные варианты комбинированной технологии строительства стволов и бункеров с использованием предварительно пробуренной скважины, разработаны научно-технические принципы их конструирования и технологические регламенты применения. Обоснованы подходы к выбору технологии. Дан критерий выбора оптимального диаметра скважины. Проведенные промышленные испытания позволили подтвердить надежность и состоятельность предлагаемых решений по усовершенствованию технологии проходки вертикальных выработок с использованием предварительно пробуренной скважины. Разработанная технология принята для использования