Технологические особенности проходки и крепления вертикальных стволов на участках нефтегазопроявлений Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© А.Ю. Прокопов, В.Л. Склепчук, 2013

УДК 622.817: 622.235

А.Ю. Прокопов, В.Л. Склепчук

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОХОДКИ И КРЕПЛЕНИЯ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ НА УЧАСТКАХ НЕФТЕГАЗОПРОЯВЛЕНИЙ

На основании хрономегражных наблюдений исследована структура затрат времени на выполнение отдельных операций проходческого цикла при сооружении скипового ствола подземного рудника «Мир». Доказано влияние нефтегазопрояв-лений на перераспределение затрат времени. Предложены меры по повышению безопасности и технико-экономической эффективности проходки стволов в условиях нефтегазопроявлений.

Ключевые слова: вертикальный ствол, буровзрывные работы, вентиляция, нефте-газопроявления.

Вертикальные стволы шахт и рудников проходятся в самых разнообразных горно-геологических условиях. Стволы, как главные вскрывающие выработки, пересекают многочисленные слои горных пород, имеющие различное происхождение, механические и физико-химические свойства, водообильность, газонасыщенность, нефтеносность, битуми-нозность и другие характеристики, оказывающие существенное влияние на темпы проходки и другие технико-экономические показатели.

Увеличение глубин разработки связано с ухудшением горно-геологических условий. В ряде случаев проходка глубоких вертикальных стволов ведется с пересечением газоносных пластов, при этом в забое и по всей глубине ствола могут образовываться взрывоопасные смеси воздуха с метаном, его гомологами (этаном, пропаном, бутаном и более высокими) и другими взрывоопасными газами. Такие условия имели место при проходке вертикальных стволов подземных рудников «Мир» и «Удачный» АК «Ал-

роса», при пересечении газоносных пластов ряда сверхкатегорийных шахт Кузбасса (ш. «Юбилейная», г. Новокузнецк, и др.), украинского Донбасса (ш. им А.Ф. Засядько, «Красноармейская-Западная» и др.).

В практике отечественного шахтного строительства неоднократно возникали аварии, связанные со взрывами и вспышками газовоздушных смесей (ГВС), нефти и битумов, а также пожарами в проходимых и эксплуатируемых вертикальных стволах. Такие аварии происходили при проходке вентиляционно-вспомогатель-ного и скипового стволов рудника «Удачный» в 2006 и 07 гг. [1], в стволе ш. им. 50-летия СССР ГУП «Крас-нодонуголь» в 2004 г., в стволе рудника «Вершино-Дарасунский» компании «Руссдрагмет» в 2006 г. и др. [2].

В условиях нефтегазопроявлений и высокоминерализованных газонасыщенных подземных вод будет сооружаться и клетевой ствол подземного рудника «Удачный», проходка которого запланирована АК «Алроса» на 2011-13 гг.

Исходя из вышесказанного следует, что повышение безопасности и улучшение технико-экономических показателей проходки стволов на участках нефтегазопроявлений, дальнейшее совершенствование технологии сооружения, а также методов и средств взрывозащиты вертикальных стволов, проходимых в указанных условиях, является актуальной задачей шахтного строительства.

Целью настоящей статьи является обработка результатов хронометраж-ных наблюдений за выполнениями отдельных операций проходческого цикла при сооружении скипового ствола подземного рудника «Мир» АК «Алроса» с целью определения структуры затрат времени и выявления резервов для повышения темпов проходки и безопасности работ.

Проходка и крепление скипового ствола подземного рудника «Мир» велась силами ОАО «Ростовшахтострой» по заказу АК «Алроса» в 2003 - 08 гг.

Основные характеристики ствола: назначение - скиповой (выдача горной массы); назначение по вентиляции -воздуховыдающий; проектная глубина - 1036,9 м; диаметр в свету - 8,0 м; крепь - комбинированная (монолитная бетонная, тюбинговая); площадь сечения: в свету - 50,24 м2, в проходке -69,40 м2.

При проходке ствола ниже отметки 627,6 м наблюдается несколько участков, характеризующихся наличием газонасыщенных пород и нефте-проявлений:

- в пределах отложений Чарской свиты в интервале 627,6-786,0 м залегает одноименный слабогазонасы-щенный комплекс, в состав которого входит четыре коллектора. Породы слабопроницаемые, низкопористые, размер пор 0,1-0,5 мм заполненные нефтебитумами (60%) и минерализованной водой (40%). По химическому

составу газы относятся к углеводородам нефтяного ряда и составляют 95% от общего объема газа. Основным компонентом является метан, его содержание колеблется от 71 до 88%. Содержание углекислого газа не превышает десятых долей процента;

- в интервале 861,2-1036,9 м проходка ствола велась по карбонатным породам Олёкминской свиты. Характерны трещины с зеркалами скольжения на поверхности которых глинка трения, битум, нефть. По трещинам происходит нефтевыделение с дегазацией. Пористое пространство на 68-82% заполнено нефтебитумами, остальное минерализованными рассолами. Общая газоносность пород колеблется от 2 до 5,2 м3/м3. Химический состав газов идентичен вышеописанным в Чарском газоносном горизонте.

С целью изучения опыта проходки стволов в условиях нефтегазопрояв-лений и разработки мероприятий по взрывозащите выработок, проходимых в аналогичных условиях, сотрудниками кафедры «Подземное, промышленное, гражданское строительство и строительные материалы» Шах-тинского института (филиала) ЮРГТУ(НПИ) проводились хроно-метражные наблюдения за выполнением всех процессов проходческого цикла [3].

К основным технологическим процессам, исследуемым с помощью хро-нометражных замеров, относятся: бурение шпуров перфораторами ПП-54В, заряжание шпуров, подъем проходческого оборудования, взрывание и проветривание, приведение забоя в безопасное состояние, спуск проходческого оборудования, погрузка породы погрузочной машиной 2КС-2у/40 с выдачей проходческими бадьями БПС-3,0, установка тюбинговых колец, разборка забоя.

Таблица 1

Значения показателей вариации исследуемых выборок

Исследуемый признак

Показатель вариации Величина заходки, м Продолжительность, мин

бурения за-ряжа-ния взрыв. , проветри- спуска-подъема при-вед. забоя в без- погрузки поро- крепл . тю-бин- разборки забоя

полка оп. ды гами

Min - 0,6 - 335 - 40 - 30 - 20 - 15 - 310 - 150 - 175 -

max 2,5 710 125 210 80 60 980 365 700

Размах

вариа- 1,9 375 85 180 60 45 670 215 525

ции

Сред-

нее

ариф- 1,69 458 77 101 44 32 577 244 416

метиче-

ское

Дисперсия 0,32 8317 524,4 1621 200 189 29019 3293 18048

Стан-

дартное откло- 0,55 91,2 22,9 40,3 14,1 13,8 170,4 57,4 134,3

нение

К-т ва-

риации, 32,5 19,9 29,7 40,0 31,8 42,9 29,5 23,5 32,3

%

Так как участок ствола характеризовался наличием нефтегазопроявле-ний, особое внимание при исследованиях уделялось ведению буровзрывных работ, проветриванию и соблюдению мероприятий по взрыво-защите ствола.

Одним из мероприятий по снижению вероятности воспламенения и взрыва нефти, битумов и газа, являлось ограничение величины заходки. Паспорт БВР на исследуемом участке ствола предусматривал бурение 155 шпуров, в т.ч. 6 врубовых (расположенных на окружности диаметром 2,5 м), 87 отбойных (на 4 окружностях диаметрами 3,7; 5,0; 6,4; 7,6 м), 60 оконтуривающих (на окружности диаметром 8,8 м). Глубина комплекта шпуров составляла 2,2 м, врубовых -2,4 м.

В результате хронометражных наблюдений было изучено 24 проходче-

ских цикла, приходящихся на участки ствола с нефтегазопроявлениями, величина заходки колебалась от 0,6 до 2,5 м. Основные показатели вариации исследуемой выборки приведены в табл. 1. Наибольший относительный разброс значений характерен для приведения забоя в безопасное состояние, заряжание и проветривание ствола, наименьший - для бурения шпуров и крепления тюбингами.

Статистический анализ результатов хронометражных наблюдений свидетельствует о высокой дисперсии по всем исследуемым признакам. Большой разброс значений величины за-ходки вызван изменяющимися горногеологическими условиями проходки. В 9 случаях из 24 заходка составляла от 2 до 2,5 м, таким образом, КИШ был близок к 1, а в нескольких случаях превышал ее. Эти результаты приходятся на участки с максимальными

24-28 28-32 32-36 36-40 40-44 Продолжительность цикла, ч

44-48

Рис. 1. Гистограмма и теоретическая кривая распределения величины продолжительности проходческого цикла

Крепление тюбингами

12.5%

Разборка забоя 21.4%

Спуск-подъем полка

2.3%

Заряжание, взрывание, проветривание

9.0%

Приведение

забоя в безопасное состояние 1.6%

Рис. 2. Структура затрат времени на выполнение отдельных процессов проходческого цикла

нефтегазопроявлениями, что свидетельствует об их влиянии на величину заходки вследствие повышения мощности взрыва за счет горючих свойств нефти и битумов [4].

Продолжительность проходческого цикла изменялась в период наблюдений от 24 до 48 ч. Значительный разброс значений вызван существенным отличием величин заходки, и соответственно объемов работ по погрузке породы и креплению тюбингами (1 или 2 кольца). Кроме того, в ряде

случаев продолжительность цикла увеличивалась из-за аварий, связанных с воспламенением нефти и газа, и увеличением времени на проветривание после взрывных работ.

Распределение продолжительности проходческого цикла (рис. 1) близко к нормальному с некоторой ассиметрией в сторону меньших значений относительно среднего арифметического.

На рис. 2. приведена структура затрат времени на выполнение отдельных процессов проходческого цикла при проведении ствола на участке активных нефте-газопроявлений, из которой следует, что около 51% времени занимает погрузка породы и разборка забоя, нарушенного взрывом вследствие влияния нефтегазопро-явлений, 23,6% - бурение шпуров, 12,5% -крепление тюбингами.

Среднее значение продолжительности цикла (рис. 1) составляет 34 ч, в то время, как средняя суммарная продолжительность всех проходческих процессов (табл. 1) - 1949 мин., т.е. около 32,5 ч. Полученная разница - 1,5 ч. (около 4,4% от продолжительности цикла) характеризует подготовительно-заключительные операции, спуск-подъем смены, непроизводительные затраты времени, обусловленные выходом из строя оборудования и организационно-техническими причинами [5].

Продолжительность бурения, мин

а)

Продолжительность проветривания, мин

В)

Продолжительность заряжания, мин

б)

Рис. 3. Гистограммы и теоретические кривые распределения продолжительности:

а - бурения шпуров, б - заряжания, в - проветривания

Теоретическое распределение продолжительности бурения и заряжания (рис. 3, а, б) близко к нормальному. Более чем двукратное отличие продолжительности бурения в разных циклах объясняется резким изменением горно-геологических условий проходки. Увеличение времени на заряжание связано с прохождением зоны нефтегазопроявлений, необходимостью сбора нефти и перебуривания части шпуров.

Анализ продолжительности проветривания свидетельствует, что в 22 случаях из 24 наблюдаемых заходок (92%), допускалось нарушение Правил безопасности [6], согласно которым «разжижение воздуха до предельно допустимых концентраций вредных газов и пыли должно достигаться в течение не более 30 мин». Однако, как следует из табл. 1, время проветривания колебалось от 30 до 210 мин, в среднем же составляло около 100 мин, что более чем втрое превышает норму.

Теоретическое распределение продолжительности проветривания (рис. 3, в) близко к экспоненциальному. Значительное превышение времени проветривания относительно допустимого было вызвано возгоранием нефти и битумов. Нефтепроявления наблюдались в виде локального капежа, подтёков на породных стенках. Активное выделение взрывоопасных газов было незначительным. После взрывания, в случае пожара в забое, ляды оставлялись открытыми, и в исходящей струе наблюдался густой чёрный дым с резким запахом, выделявшийся в течение 1,5-3 ч до полного выгорания нефти и битума.

Анализ результатов хронометража процесса погрузки позволяет разделить его на 2 основных этапа (рис. 4). Вследствие наличия нефтегазопрояв-лений при ведении взрывных работ

Рис. 4. Этапы проходки ствола за один цикл: I - вследствие взрывных работ; II - за счет разборки забоя

происходило разрушение породы на ^з.Вр = 0,4 - 2,1 м и растрескивание нижележащих слоев породы и возгорание находящихся в трещинах нефти и битумов.

После окончания их выгорания производилась погрузка породы на

величину ^з вр. Бурить нижележащую породу вследствие ее сильной трещиноватости не представлялось возможным, поэтому приступали к разборке слоя породы, толщина которого колебалась в пределах Ьз р. = 0,1 - 0,55 м.

Гистограмма распределения величины заходки вследствие взрывных работ приведена на рис. 5, а, дополнительной заходки, обусловленной разборкой растрескавшихся пород -на рис. 5, б, а суммарной заходки (от взрыва и разборки забоя) - на рис. 5, в.

В результате наблюдений выявлена слабо выраженная (коэффициент корреляции г = 0,65) линейная зависимость между дополнительной за-ходкой вследствие разборки забоя и

7

заходка вследствие разрушения взрывом, м

Величина заходки, м

В)

0.1 - 0.18 0.18-0.26 0.26-0.34 0.34-0.42 0.42-0.5 0.5-0.58 заходка вследствие разборки забоя,м

Рис. 5. Гистограммы и теоретические кривые распределения величины заходки: а - обеспечиваемой взрывными работами; б - обеспечиваемой разборкой растрескавшихся пород; в - суммарной

Рис. 6. Влияние увеличения продолжительности проветривания вследствие выгорания нефти и битумов на величину дополнительной заходки от разборки забоя

продолжительностью проветривания, которая увеличивалась из-за выгорания нефтепродуктов и была связана с интенсивностью их выделения (рис. 6).

Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы:

- при средней продолжительности проходческого цикла 34 ч и средней величине заходки 1,7 м средние темпы проходки скипового ствола подземного рудника «Мир» на участках, опасных по нефтегазопроявлениям и закрепленных тюбингами, составили около 36 м/мес.;

- наличие нефтегазопроявлений существенно сказывается на продолжительности бурения, заряжания, проветривания ствола и в особенности на времени разборки забоя после 2-й фазы погрузки, что в конечном итоге существенно снижает темпы проведения и безопасность работ;

- нефтегазопроявления оказывают влияние на величину заходки, повышая мощность взрыва и КИШ вследствие горючих свойств нефти, газа и битума, но снижая при этом взрыво- и пожаробезопасность;

- в результате нефтегазопроявле-ний происходит существенное нару-

шение сплошности (растрескивание) пород в зоне, находящейся ниже взрываемого участка, что существенно затрудняет бурение шпуров следующей за-ходки, требует дополнительного объема работ по их разборке, тем самым снижается производительность труда проходчиков и увеличивается продолжительность цикла;

- возникновение аварийных ситуаций, связанных с возгоранием нефти и битумов, приводит к превышению допустимого времени проветривания в среднем в 2-2,5 раза, а в нескольких случаях - в 4-7 раз;

- резервом повышения темпов проведения ствола является оптимизация продолжительности буровзрывных работ и проветривания путем обеспечения требуемых концентраций вредных газов и пыли не более, чем за 30 мин.;

- для повышения эффективности и безопасности проходки ствола в рассматриваемых условиях требуются дополнительные организационные и технические мероприятия по взрыво-и пожаробезопасности, к которым относится применение по всей глубине ствола, в особенности на участках активных нефтегазопроявлений пла-ме- и взрывогасящих завес, использование пенной защиты в призабойном пространстве ствола, предварительная дегазация и сбор нефти и битумов, специальные параметры и режим взрывных работ, специальный режим проветривания ствола после взрывных работ и др.

- разработанная авторами концепция взрывозащиты вертикальных стволов при их проведении на участках,

опасных по нефтегазопроявлениям [7 - 9], призвана обеспечить безопасность проходки и повысить темпы сооружения ствола на опасных участках

1. Прокопов А.Ю., Тимофеев Д.Н., Склепчук В.Л. Анализ причин и последствий аварии при проходке вентиляционно-вспомогательного ствола рудника «Удачный» // Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений: Сб. науч. тр. - Донецк: Норд-пресс, вып. 15, 2009. - С. 78 - 80.

2. Манец И.Г., Грядущий Б.А., Левит В.В. Техническое обслуживание и ремонт шахтных стволов: Научно-производственное издание/ Под общ. ред. Сторчака С.А. -Донецк: «Юго-Восток, Лтд», 2008. - 586 с.

3. Прокопов А.Ю., Масленников С.А., Склепчук В.Л. О результатах хронометраж-ных наблюдений за ведением буровзрывных работ и проветриванием при проходке скипового ствола подземного рудника «Мир» АК «Алроса»// Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений: Сб. науч. тр. - Донецк: Норд-пресс, вып. 16, 2010. - С. 86 - 88.

4. Прокопов А.Ю., Лабинский К.Н., Ре-шетняк М.А. О влиянии нефтегазопроявлений на технологию проходки вертикальных стволов// Донбас-2020: перспективи розвитку очима молодих вчених: Матерiали V науко-во-практично! конференцй. м. Донецьк, 2527 травня 2010 р. - Донецьк, ДонНТУ Мшютерства освгги i науки, 2010. - С. 79 -83.

5. Прокопов А.Ю., Масленников С.А., Склепчук В.Л. О структуре затрат времени при сооружении скипового ствола подземного рудника «Мир» на участке нефтегазопроявлений// Збiрник наукових праць НГУ № 34,

на 15-20 % относительно фактически достигнутых при проходке стволов рудника «Мир» и проанализированных в настоящей работе.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Том 1 - Дншропетровськ: РВК НГУ, 2010.

- С. 75 - 81.

6. ПБ 03-428-02. Правила безопасности при строительстве подземных сооружений. Утв. постановлением Госгортехнадзора России от 01.11.01 № 49. Введены в действие с 01.07.02 постановлением Госгортехнад-зора России от 16.01.02 № 2.

7. Страданченко С.Г., Прокопов А.Ю., Склепчук В.Л. Обоснование методов обеспечения взрывозащиты при проходке вертикальных стволов подземного рудника «Удачный»// Строительная геотехнология: Сборник статей. Отдельный выпуск Горного информационно-аналитического бюллетеня. -М.: Горная книга, 2009. - №ОВ9. - С. 206

- 213.

8. Прокопов А.Ю., Склепчук В.Л. Опыт использования пенной защиты при проходке вертикальных стволов по газонасыщенным породам// Проблемы горного дела и экологии горного производства: Матер. IV меж-дунар. науч.-практ. конф. (14-15 мая 2009 г., г. Антрацит) - Донецк: Вебер (Донецкое отделение), 2009. - С. 193 - 197.

9. Прокопов А.Ю., Склепчук В.Л., Тимофеев Д.Н. Организационно-технические мероприятия по обеспечению безопасности при проходке вертикальных стволов рудника «Удачный» в зоне нефтегазопроявле-ний// Материалы 3-й Международной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Перспективы освоения подземного пространства» -Днепропетровск: НГУ, 2009. - С. 38 - 40.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Прокопов Альберт Юрьевич - доктор технических наук, профессор кафедры «Подземное, промышленное, гражданское строительство и производство строительных материалов», заместитель директора Шахтинского института (филиала) ГОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)», prokopov72@rambler.ru,

Склепчук Вячеслав Леонидович - горный инженер, начальник производственно-технического отдела ОАО «Ростовшахтострой», ассистент кафедры «Подземное, промышленное, гражданское строительство и производство строительных материалов» ШИ(ф) ГОУ ВПО ЮРГТУ(НПИ).