CC BY
42
© А.В. Кузина, 2004
УДК 622.233/.235 А.В. Кузина
ВЛИЯНИЕ БУРОВЗРЫВНЫХ РАБОТ
НА ГЕРМЕТИЧНОСТЬ ЗАМОРАЖИВАЮЩИХ
КОЛОНОК
Семинар № 1
~П опрос обеспечения безопасности про-
-О ходки шахтных стволов, возводимых с применением искусственного замораживания на глубинах более 100 м, имеет большое значение. Этому вопросу уделялось огромное внимание в работах по описанию опыта проходки стволов способом замораживания на глубинах более 100 м. Наиболее известны две работы отечественных авторов, анализирующих факт повреждения замораживающих колонок при проходке глубоких стволов. В 1968 г. к.т.н. Федюкин В. А. [1] описал конкретные случаи разрыва замораживающих колонок. Вывод Фе-дюкина В.А. о причинах разрывов колонок, в основном, сводится к следующим постулатам:
- «Повреждение замораживающих колонок - явление сложное и зависит от многих факторов»
- Повреждение колонок, т. е. нарушение их целостности чаще всего происходит в результате обрыва в муфтовом соединении с последующим смещением в горизонтальной и вертикальной плоскости.
Далее В.А.Федюкин формулирует следующие выводы:
«По результатам анализа 152 нарушений колонок на 14 стволах, выполненным ВНИИ-ОМШСом, главными причинами повреждения являются деформации пород и недостаточная прочность труб».
«Повреждение колонок увеличивается при резких перепадах температур, в скважинах с большим искривлением, при производстве буровзрывных работ в непосредственной близости от колонок».
Последние два вывода В. А. Федюкина не раскрывают причин разрывов колонок, но показывают, что явление разрыва замораживающих колонок считается вполне закономерным. На 14 стволах в среднем разрушалось по 10 колонок. Косвенно В. А. Федюкин указывает на основную причину - производ-
ство взрывных работ, но только не объяснил причины деформирования колонок.
Необходимо так же объяснить и другой важный вывод, сделанный В. А. Федюкиным. «При глубине замораживания до 100 м повреждения замораживающих колонок происходит эпизодически и не вызывает больших осложнений. С увеличением глубины замораживания до 200-400 м повреждения колонок участились».
В практике «Шахтспецстройпроекта» массовое повреждение замораживающих колонок наблюдалось при проходке стволов Солигор-ских калийных комбинатов, на стволах Запорожского железорудного комбината и Березниковских калийных комбинатов. Так на южном стволе ЗЖК из 33 действующих замораживающих колонок было повреждено 18, причем 5 колонок повреждены дважды, а одна колонка
- три раза. На северном стволе того же комбината повреждено 10 колонок, а 2 колонки повреждены дважды.
На Березниковском калийном комбинате № 2 при проходке ствола № 1 из 45 колонок были повреждены 3, на стволе № 2 из 45 колонок были повреждены 4, а на стволе № 3 из 43 колонок были повреждены 6. Правда, при описании этих повреждений не упоминается, что во всех случаях применялся буровзрывной способ проходки.
В 1983 г. вышла последняя книга д.т.н. Н.Г. Трупака [2], в которой целая глава посвящена описанию деформаций замораживающих труб, не только на отечественных, но и на зарубежных стволах.
Приведенные примеры Н. Г. Трупаком о разрывах замораживающих колонок от изгиба, подтверждались теоретическими выводами: «Деформация замораживающих труб выражается:
1) в смятии (сплющивании) труб, иногда на три четверти диаметра труб без разрыва
их сплошности. В таком случае могут быть смяты и питающие трубы, в результате чего нарушается нормальная циркуляция охлаждающего рассола в замораживающих колонках;
2) в смятии замораживающих труб с образованием трещин (часто продольных), через которые может выходить охлаждающий рассол в окружающие горные породы с последующим размораживанием последних при особо большом внешнем давлении - срезывание тела замораживающих труб со смещением двух частей труб одной относительно другой. Смещения частей замораживающих труб бывают настолько большими (до 100 мм), что не позволяют опустить в замораживающие колонки трубы меньшего диаметра. При этом из труб выходит охлаждающий рассол в замороженные горные породы с вытекающими из этого неприятными последцжвшрив едрны зшаоошжнныхатиорикх пнрюдданные о частоте разрывов замораживающих колонок.
На стволе № 2, Солигорского калийного комбината, на глубине 137,5 м в мергеле на контакте с глиной сразу вышло из строя три колонки, в глине на глубине 140, 148 и 150,5 м вышло из строя еще три колонки, и на глубине 153 и 154 м в плотном мергеле еще срезало две колонки. На рядом стоящем стволе № 3 того же комбината на глубине 130 и 138 м на контакте глины и мергеля разорвались две колонки, на глубине 142 и 154 м в мергеле разорвались еще две колонки. Аналогичные разрывы труб отмечены на стволе Л-1 рудника «Люблин» в ПНР на глубине 184,5 м в водоносных илах. При дальнейшей проходке ствола до глубины 302 м по глинам порвали еще 18 колонок. На глубине 306, 5 м и 312, 7 м на забой прорвался рассол из порванных колонок, произошел порыв воды с песком и ствол до глубины 57 м был затоплен.
Всего было повреждено 27 замораживающих колонок. После затопления еще двух стволов, в Польше стали искать пути отказа от БВР и был разработан комбайн для рыхления гли-нисто-мергелевых песчаных пород на базе угольного комбайна. Дальнейшая проходка стволов на четырех медных комбинатах в Польше осуществлялась механизированным способом. (Люблин, Польковицы, Глогув, Ше-рошовицы)
В своей книге Н.Г. Трупак привел данные о наиболее характерной проходке стволов способом искусственного замораживания на 3-х стволах Яковлевского рудника КМА, где замораживание пород производилось до глубины 620 м (впервые в нашей стране). Три ствола имели один и тот же внутренний диаметр в свету - 7,5 м. Замораживающие колонки располагались по внутреннему диаметру 14, 5 м и по наружному диаметру 19 м. Ствол № 2 с глубины 60 м до конечной глубины проходился буровзрывным способом, заходками высотой 1,5 м с последующим креплением тюбингами. Применение буровзрывных работ никак не проявлялось ни при проходке по известкови-стым мергелям крепостью по шкале Протодья-конова до 4 в замороженном состоянии, ни при проходке в мелах, и только на контакте полностью промороженных песков с галькой и вязкой глиной 3 сентября 1978 г. на глубине 309 м произошел срез сразу 6 колонок. При следующем взрыве вышло из строя еще две колонки на глубине 311 м. Затем на глубинах 375,6 м и 376, 5 м вышло из строя 3 колонки, потом на глубине 406 м - еще 2 колонки. С выходом из строя пятнадцати колонок внутреннего ряда (из общего количества по проекту 34 колонки), внутренний ряд практически перестал существовать, и его отключили, перейдя на замораживающие колонки наружного ряда по диаметру 19 м.
Вопросу влияния БВР на герметичность замораживающих колонок посвящены работы И.Ф. Оксанича, В.С Чмыхалова и Я.Н. Цейтлина. По их данным выход из строя замораживающих колонок возможен при применении зарядов в шпуре более 4 кг.
Большая работа по изучению влияния БВР на прочность замораживающих колонок была проведена институтом ВИОГЕМ на стволе №6 Михайловского ГОКа. Там впервые были установлены сейсмодатчики на внутреннем контуре ледопородного ограждения после выемки пород на высоту опалубки (4 м). Также был сделан траншейный стенд с горизонтальным размещением замораживающих труб и расположением зарядов на разных расстояниях. Результатом этих исследований был вывод о том, что взрыв заряда до 1,2 кг не разрушает замораживающую колонку, находящуюся на расстоянии более 0,4 м от заряда.
Рис. 1. Схема распространения прямой продольной и отраженной волны
Хотелось бы особенно обратить внимание на показания сейсмодатчиков в опыте института ВИО-ГЕМ, расположенных на расстоянии 2,4 и 3,4 м от забоя. Эти датчики зарегистрировали прямую волну с коэффициентом затухания 0,76-0,8. такого затухания в однородном замороженном песке в 3-х метрах от взрыва быть не может. Интересно отметить, что датчик, расположенный в 6-ти метрах от забоя не зарегистрировал прохождения волны. Из этих результатов можно сделать следующий вывод:
1. При взрывании шпуровых зарядов возникает не только продольная волна сжатия, но и отраженная волна растяжения, которая может регистрироваться датчиками, как показано на рис. 1.
2. В отличие от однородных пород, в замороженных породах, например в песках, имеются разные по физическим свойствам породы - замороженные пески со скоростью распространения прямой волны 4000-4500 м/сек, талые пески со скоростью прохождения волны 1356850 м/сек, и естественный не замороженный песок, в котором скорость распространения прямой волны может быть от 400 до 1500 м/сек в зависимости от обводненности.
3. Граница между замороженным и не замороженным массивом отличается не только тем, что изменяются скорости прохождения прямой продольной волны, но и тем, что эта поверхность является границей раздела сред и является поверхностью отражения волн.
4. От поверхности отражения в ледопород-ном ограждении идет отраженная волна, кото-
рая действует в пределах ограниченной высоты забоя, но именно в результате действия этой отраженной волны растяжения в стенке ствола образуется зона скола и шелушения, исследованная П.М. Тютюником
5. В замороженном однородном массиве разрушения замораживающих колонок от действия обратной волны не происходит.
Рассмотрим условие прохождения прямой и обратной волны взрыва на контакте высокоскоростной и низкоскоростной пород, например песок - глина. На границе раздела слоев фронт прямой, отраженной, продольной и поперечной волн имеет общую точку пересечения на границе раздела слоев и распространяется с одинаковой скоростью. Начальный импульс (взрыв), передаваемый среде, переносит-
и
Рис. 2
ся волнами напряжений, которые имеют переменные амплитуды и направления распространения. В неизотропных средах две волны распространяются с различными скоростями, в
данном случае С™ = 3600 м/с, Сд^ = 5350 м/с.
На поверхности раздела между высоко и низкоскоростным материалом упругая волна отражается по общему закону.
Вдоль границы раздела в высокоскоростном материале (замороженном песчанике) фронт продольной упругой волны распространяется быстрее фронта продольной упругой волны низкоскоростного материала (замороженной глины)
Отраженная волна из высокоскоростного материала в низкоскоростном формируется во второй стадии преломления, в виде двух преломленных волн - продольной и поперечной, и эти составляющие качественно отличаются от волн первой стадии.
Часто волны, предшествующие фронту, называемые предвестниками, плавно возрастают от нуля до максимального значения на фронте. В низкоскоростном материале упругая продольная волна, пришедшая через границу из высокоскоростного материала, претерпевает изменение. Здесь массовая скорость и напряжение в упругой волне увеличивается по мере роста амплитуды начального возмущения. При этом напряжение неизбежно достигает уровня, выше которого начинается пластическая или необратимая деформация среды.
Пластическое деформирование приводит к изменению как скорости, так и формы волн напряжения.
Скорость пластических волн может быть найдена графически в системе координат и и ир приведенных на рис 2.
Ниже динамического предела упругости существуют только упругие волны Сгр и Спопер.
С возникновением упругого предвестника и преодоления 8диу пластические волны распространяются с меньшей скоростью, чем упругие волны, следовательно, они отстают от упругого предвестника.
Так как скорость распространения пластической волны меньше, чем упругой, все возмущение, достаточно сильные, чтобы создать волны, превышающие динамический предел упругости, на самом деле создают две волны -упругий предвестник, распространяющийся со скоростью С,р, предельное напряжение в которых равно г , и более медленную волну Спо-диу
пер. пластического течения, имеющую скорость большую, чем Св. Пластические волны по своей природе не линейны, то есть для них не выполняется принцип суперпозиции, справедливый для упругих волн. Поперечные и продольные напряжения различаются на постоянную
величину 5 . Если эти две волны одно-
предвес.
временно проходят через одну точку (например, распространяясь в противоположных направлениях), то поперечная и продольная компоненты должны были бы удвоиться, так же, как и их разность, если бы их можно было линейно сложить. Это привело бы к разности напряжений 2 5 , что существенно пре-
предвес.
вышает прочность материала.
Сильное возмущение пластически деформируют породу. Эти возмущения всегда сопровождаются упругим предвестником. Соединение с поперечной пластической волной приводит к образованию ударных волн. Пластические волны не линейны, распространение их в деформируемом массиве после соединения идет со сверхзвуковой скоростью, и они могут опередить упругую волну и поглотить ее энергию. Таким образом, двухимпульсная структура пропадает в результате развития сверхзвуковой ударной волны. Ударный фронт такой волны стремиться быть как можно более резким, когда уже представляются в виде скачков
давления, массовой скорости, плотности и внутренней энергии.
Высокое давление на фронте ударной волны, где возникает скачек, приводит к возникновению волн отражения, распространяющихся с той же скоростью, что и ударная. Волна разрежения, образующаяся после отражения сильной ударной волны от ее фронта, имеет большую скорость, чем сама ударная волна.
Материал (глина), через который проходит ударная волна, ускоряется под действием резкого градиента давления в ударном фронте и сильно уплотняется. Но тот же уплотненный материал, по которому затем идет отраженная от фронта волна разрежения, ускоряется в направлении, обратном движению ударной волны, под действием менее резкого градиента давления. Полная массовая скорость после прохода волн сжатия и разрежения равна векторной сумме ускорений, проинтегрированных по времени.
Только благодаря образованию ударной волны в пластическом низкоскоростном материале и образованию фронта ударной волны со скачком уплотнения, образуется граница раздела сред. При этом процессе возникновение отраженной волны порождает (за фронтом) нормальную волну сжатия, в соответствии с модулем объемного сжатия и плотностью низкоскоростного пласта породы.
Отраженная волна из низкоскоростной среды в высокоскоростной среде уже никаких ударных волн не вызывает.
Теперь рассмотрим последний случай взаимодействии ударной волны с замораживающими колонками. Пока ударная волна движется в зоне, вдоль границы раздела разноскоростных материалов, не встречая препятствий, она создает нагрузку на пластичный массив, равную избыточному давлению в проходящей ударной
волне. При подходе ударной волны к преграде (замороженному буровому раствору или воде, по диаметру не менее £>бур >230 мм и собственно
трубе замораживающей колонки), она отражается, образуя давление отражения ДРотр , происходит торможение масс, при этом избыточное давление повышается. В результате этого, преграда (замораживающая колонка) испытывает удар огромной силы, увеличившейся вследствие давления отражения.
Действие ударной волны на преграду (замораживающую колонку) формирует динамическую нагрузку, которая определяется параметрами ударной волны, формой и размерами преграды. Процесс взаимодействия ударной волны с преградой разделяют на две характерные фазы (два периода):
1.Фаза дифракции (начальный период) - от момента соприкосновения фронта волны с преградой до установления сравнительно стабильного процесса обтекания преграды ударной волны;
2. Фаза квазистационарного обтекания (последующий период) - после окончания фазы дифракции до момента окончания действия положительной фазы волны на преграду.
На рис. 3 показана дифракционная картина обтекания волной преграды.
В процессе натекания на преграду ударная волна сначала действует только на лобовую поверхность, затем так же на боковые поверхности, а по мере затекания за преграду - на тыльную поверхность преграды. В
Рис. 3. Схема дифракции волн: 1 - ударная волна, 2 -отраженная волна, 3 - вторичная волна, 4 - дифракционная волна, 5 - волна разрежения; ^ - смещающая сила, Оф и Оотр- векторы скорости фронта ударной волны и отраженной волн
момент соприкосновения ударной волны с лобовой поверхностью преграды, на ней возникает давление отражения и отраженная ударная волна 2, которая распространяется в обратном направлении. При взаимодействии с боковыми гранями преграды образуется вторичная 3 и дифракционная 4 волны, за фронтом которых формируются волны отражения (разрежения) 5. Разница давлений на переднюю и тыльную поверхности приводит к возникновению смещающей силы, действующей на преграду в направлении действия ударной волны. После соударения волн, обогнувших преграду с боков, на тыльной поверхности преграды может возникнуть большее давление, чем на лобовой. В этом случае, смещающая сила меняет знак.
В начальный период на преградах возникают большие давления и большие смещающие силы, однако время их действия сравнительно мало. В основном, оно определяется размерами преграды.
Давление воздушной ударной волны можно рассчитать по формул:
АР,
отр.
=2АРф+
6АР,
ф
АРф + 7 Ро.
где АРф- избыточное давление во фронте р
ударной волны; о - атмосферное давление.
Из формулы следует, что избыточное давление отражения увеличивается от 2 до 8 раз. Такие давления преграда испытывает в первоначальный момент. Вслед за этим, ударная волна начинает обтекать преграду, оказывая давления на боковые, а затем, на тыльную поверхность. В результате, преграда сжимается со всех сторон, но наибольшее давление на фронтальной плоскости (рис. 4).
Аналогично вышеизложенному процессу дифракции ударных воздушных волн на преграду, нанесем области действия ударных, отраженных и дифракционных волн на преграду в виде буровой скважины. Качественная картина разрушения грунта в выработанном пространстве буровой скважины при интенсивном воздействии ударной волны представлена на рис. 4.
Концентрация напряжений на контуре скважины определяется характеристиками породного массива, амплитудно-временными параметрами ударной волны и диаметром буровой скважины (размытой или проектных размеров). При действии ударной волны, наиболее напряженными являются точки контура области 1- боковые по отношению движения ударной волны, где, как правило, и начинается разрушение грунта под действием растягивающих отраженных от боковых поверхностей волн. Разрушение породы в области 1 носит сдвиговый характер. В области 1, где порода разрушена сдвигом полностью, резко снижается значение напряжения. Граница зоны разрушения принимает волновую нагрузку на себя, то есть сама становится несущим контуром, причем с меньшим радиусом кривизны, чем изначально. Это приводит к дальнейшей концентрации напряжений в этом районе, и развитию процесса разрушения сдвигом от контура скважины в глубь массива. Кроме того, от областей первоначального разрушения распространяются волны разгрузки, их взаимо-
Рис. 4. Общий вид разрушенной породы в окрестностях буровой скважины
- В
отр.
действие приводит к возрастанию разрушения в лобовой и, частично, тыльной части скважины. Эти вторичные разрушения под действием отраженной волны, в основном, носят характер отрыва.
Размеры областей разрушения зависят, главным образом, от амплитуды массовой скорости в ударной волне и временной формы ее импульса (характеристик ниспадающей ветви). Накопленная породой потенциальная энергия деформирования в момент разрушения переходит в кинетическую энергию.
Разрушенный грунт (порода) приобретает импульс, направленный в наименее напряженную область пространства, то есть внутрь скважины.
В условиях, когда на скважину действует ударная волна с фронтом, близким к ударному, в окрестности любой точки контура скважины могут развиваться явления откола (область 2), характерные для процесса отражения волны от свободной поверхности или жесткого упругого тела, каковым для волны является сам фронт ударной волны со скачком уплотнения.
Процесс разрушения носит ярко выраженный динамический характер, даже в условиях, когда взаимодействие ударной волны со скважиной происходит квазистатически.
Таким образом, изменение скорости прохождения упругой волны из высокоскоростного пласта (песка, песчаника) в пластическую волну низкоскоростного пласта, происходит не за счет затухания волны, а за счет отражения избыточной энергии от фронта ударной волны в низкоскоростном породном массиве.
Представленная выше картина разрушения незакрепленных выработок, полученная методом численного моделирования, хорошо согласуется с имеющимися экспериментальными данными. Гибкие металлические конструкции в виде труб, обладая существенно меньшей жесткостью по сравнению с железобетоном, в меньшей степени изменяют напряженно-деформированное состояние при-контурного массива. В связи с этим, процесс разрушения породы в пространстве около выработки, происходит в соответствии с закономерностями, выявленными в данной главе.
При воздействии на замораживающую колонку ударной волны с высокими параметрами, вызывающей разрушение в около-скважинном пространстве, характер деформирования колонки, ее напряженно-деформированное состояние, изменяются качественно и количественно. В начале процесса динамического воздействия, пока контур скважины устойчив, колонка, в силу энерции, перемещается относительно контура выработки против хода ударной волны, что приводит к обжатию прослойки во фронтальной части и отрыву обделки от прослойки в тыльной части. При этом труба деформируется с уменьшением диаметра вдоль направления распространения волны, и с увеличением диаметра при распространении волны в поперечном направлении. Потеря несущей способности контуром скважины неизбежно сопровождается повышением напряжений в колонке. При большом объеме разрушений, коэффициент концентрации напряжений на ней приближается к единице.
Деформирование колонки путем неравномерного обжатия, носит изгибающий характер, что обуславливает возможность ее разрушения, как путем сдвига, так и трещи-нообразованием. При низкотемпературном замораживании необходимо учитывать и хладоломкость материала труб, не способных воспринимать динамических воздействий.
Поведение колонок, расположенных в конкретной породе, при определенном режиме, особенно при режиме низкотемпературного замораживания, и глубины, под действием волновой ударной нагрузки, даже в простейших случаях, проявляет разнообразный качественный характер. Для проведения практических расчетов и получения количественных оценок параметров изучаемого процесса, необходимо знать все постоянные величины, характеризующие замороженный породный массив, а также свойства, проявляемые строительными материалами при действии динамической нагрузки. Это является отдельной проблемой, выходящей за рамки данной работы.
Анализируя закономерности деформирования замораживающих колонок, можно сделать следующие выводы:
1. Разрыв замораживающих колонок и появление на забое хладоагента является
первым признаком серьезной аварийной обстановки.
2. В современной литературе нет единого мнения о причинах разрыва замораживающих колонок. Большинство авторов предполагают причиной разрыва - срез или смятие колонок.
3. Подавляющее большинство разрывов замораживающих колонок зафиксированы на контактах глинистых пород с песком, мергелем или известняком.
4. Данная работа обращает внимание на то, что во всех случаях разрывов замораживающих колонок применялся буровзрывной способ работ по дроблению замороженных пород, а также на тот факт, что прорыв хла-доносителя в забой был после очередного взрывания.
5. Существующие правила безопасного ведения буровзрывных работ в замороженных породах не дают положительных результатов.
6. При исследовании влияния БВР на замораживающие колонки, принималось во внимание только влияние прямых упругих волн на однородный пород ный массив, исключая случаи двухслойного массива с высокоскоростными и низкоскоростными характеристиками породного массива.
7. Анализ взрывных работ в условиях двухслойного массива показал, что между поверхностью раздела разноскоростных материалов, в низкоскоростном слое (глины)
образуются условия проявления отраженных и преломленных упругих волн, которые образуют особую зону, где возникает ударная волна с характерным фронтом. Этот фронт является причиной возникновения отраженных ударных волн растяжения.
8. Ударный фронт достигает замораживающих скважин, с вставленными в них замораживающими колонками, которые образуют особую зону. В указанной зоне при отражении ударной волны от включений возникает система отраженных и дифракционных волн, которые, в свою очередь, образуют соответствующую зону разрушения пород, порождающую разрыв и деформирование колонок.
7. В зоне действия отраженных волн, вблизи колонок, замороженная порода претерпевает необратимые изменения. При недостаточной толщине ледопородного ограждения (при наличии рассолосодержащих вод) в замковой плоскости создаются все условия для образования там «окна» ледопородного ограждения. Это может привести к прорыву рассолосодержащих вод в ствол.
8. Предлагаемый метод анализа позволяет выявить причины разрушения замораживающих колонок при ведении буровзрывных работ и дает возможность вновь поднять вопрос о внесении в нормативные документы соответствующих рекомендаций и ограничений.
— Коротко об авторах
Кузина А.В. — инженер, Московский государственный горный университет.
