етодические рекомендации по сооружению дренажных скважин с применением погружных пневмоударных машин

Белгород 1979

МИНИСТЕРСТВО ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ СССР СОЮЗРУДА

Всесоюзный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт по осушению месторождений полезных ископаемых.специальным горным работам, рудничной геологии и маркшейдерскому делу В И О Г Е U

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО СООРУЖЕНИЮ ДРЕНАЖНЫХ СКВАЖИН С ПРИМЕНЕНИЕМ ПОГРУЖНЫХ ПНЕВМОУДАРНЫХ МАШИН

Белгород

1979

из подземных выработок в сложных гидрогеологических условиях. Для таких условий институтом ВИОГЕМ сконструирована и изготовлена ус -тановка УПБ-Ш, которая обеспечивает бурение рыхлых, неустойчивых, обводненных пород с одновременным креплением стенок скважины об -садными трубами. Бурение ведется через превенторное устройство для безопасности работ как при вскрытии водоносного горизонта, так и при внезапных выбросах воды. Буровая установка УПБ-Г-1 состоит из отдельных агрегатов, смонтированных на самостоятельных рамах:    бу

рового станка, пульта управления, ыаслостанции и промывочного на -coca. Агрегаты размещаются в выработке с сохранением безопасных проходов. В комплект установки входит пакерное устройство, которое предохраняет от попадания пластовых вод в колонну во время буре -ния; после посадки фильтровой колонны пакер извлекается и скважина включается в работу. Установка успешно прошла испытания на За по -рожском и Михайловском железорудных комбинатах. Механическая ско -рость бурения достигает 35 м/ч, техническая - 2,2 м/ч.

Испытания показали, что бурение скважин установкой УПБ-Ш может осуществляться в породах любой крепости как сплошным, так и коль -цевым забоем. Пробуренные восстающие скважины по водообиль н о с т и весьма эффективны, производительность их от 50 до 200 м⁵/ч. Уста -новка выпускается институтом ВИОГЕМ небольшими партиями для ЗЖРК, предприятий КМА и Соколовско-Сарбайского ГОКа.

В ряде случаев для обеспечения надежности осушения возникает необходимость снижения уровней подземных вод значительно ниже го -ризонта отработки этажа. В настоящее время эта задача реша е т с я или путем сооружения специального нижележащего дренажного горизонта, или бурением водопонижающих скважин с поверхности с последу -ющим подсечением их выработкой и сбросом воды из скважин на горизонт. При больших глубинах это очень трудоемкая работа, в связи с этим назрела необходимость в создании станка подземного бурения для сооружения водопонижающих скважин из горных выработок этажа разработки с тем, чтобы исключить необходимость проходки нижележащих дренажных выработок или сооружения дорогостоящих скважин большого диаметра с поверхности [16,17].

Для бурения дренажных скважин институтом ВИОГЕМ подготовлен и опробован опытный экземпляр новой буровой установки УДБ-12. Управление станком УДБ-12 осуществляется дистанционно с пульта уп -равления (рис.1).

10

1.7. Обеспечение буровых установок сжатым воздухом

В значительной мере эффективность бурения погружными пневмоудар-ными машинами зависит от организации обеспечения установок сжаты м воздухом, от характеристики и технического состояния применяемы х компрессорных станций. На горнорудных предприятиях наиболее рацио -нальным является обеспечение станков от рудничной сети, так как стоимость сжатого воздуха от действующих стационарных компрессорных станций в 2-3 раза меньше, чем от передвижных компрессоров.. Однако при бурении скважин различного назначения на значительной террито -рии целесообразно применять передвижные компрессорные станции или станции, которые агрегируются со станком. Достоинством этой системы обеспечения является автономность и сокращение потерь воздуха. к компрессорам предъявляются следующие основные требования: малый вес, портативность, безотказная работа при любой температуре. Указанным требованиям в значительной мере отвечают ротационные и особенно винтовые компрессоры.

Винтовые компрессоры ЗИФ-ШВ5, ЗИФ-55В, ЗИФ-51В, ПВ-10,    ПВ-10Э,

НВ-10 и другие значительно легче поршневых и широко применяются для различных монтажных, строительных, дорожных, горных, буровых работ. Они имеют большой срок службы, лучшую динамическую уравновешенность, высокий КПД при любых режимах работы, возможность дистанционного управления и могут работать в запыленных условиях.

Станции КС-5А, ПР-6М специально изготовлены для проведения буровых работ.

Станция ЗИФ-ШВ-5 предназначена для шахт и имеет взрывобезопасный электродвигатель и соответствующую пусковую аппаратуру. Перевоз к а компрессора может осуществляться на двухосной прицепной тележке с дисковыми чугунными скатами электровозом или вручную по узкоколей -ной железной дороге шириной колеи 900 или 600 мм (после перестановки скатов).

Все эти передвижные компрессорные станции могут применяться при бурении дренажных скважин глубиной до 400 м, а в условиях значи -тельной водообильности горных пород - до 150 м.

При бурении более глубоких скважин, а также использовании расширителей и комбинированных пневмоударных снарядов большого диамет р а могут быть использованы более тяжелые стационарные и передвижные компрессорные станции типа ВКМ-25/8,    7ВКМ-50/8,    6BKM-I3/8,

305ВП-20/35, КПУ-16/100. В случае одновременной работы 2-4 буровых установок рационально использовать винтовые установки с большей производительностью, а с увеличением глубины, диаметра и числа уда i>

12

ных механизмов - с повышенной производительностью и абсолютным давлением.

ВНИИкомпрессормаш и Краснодарский компрессорный завод совместно с ЦНИГРИ разрабатывают весьма перспективную специальную компрес -сорную станцию (ПД-12/25) для бурения с погружными пневмоударными машинами. Станция рассчитана на производительность 12 м³/мин с конечным давлением 25 кгс/см², на использование дизельного привода и прицепной тележки !13}.

2. МЕТОДИКА И ТЕХНОЛОГИЯ РАБОТ С ПОГРУЖНЫМИ ННЕВМОУДАРНЫЫИ МАШИНАМИ

2.1. Методика определения предельной глубины бурения

Для проектирования пневмоударного бурения очень важно объективно обосновать возможную предельную глубину его применения в зави -симости от фактических геолого-гидрогеологических условий разреза и применяемого оборудования.

К основному фактору, определяющему предельную глубину бурения в обводненных гидрогеологических скважинах, следует отнести величину гидростатического давления в скважине, а в безводных скважинах - суммарное сопротивление движению подаваемого воздуха. Глубина пневмоударного бурения может ограничиваться геологическими причи -нами (наличием зон интенсивной трещиноватости, дробления, глинистых прослоев и т.д.), которые зачастую осложняют нормальный про -цесс бурения и приводят к различным осложнениям в скважинах. Эти причины достаточно полно описаны в литературе, поэтому в данной работе подробно не рассматриваются |1,4,7,14,15].

В практике гидрогеологического бурения встречаются разли ч н ы е случаи, при которых требуется определить максимально возможную глубину пневмоударного бурения. Ниже рассматриваются три наиболее‘ас-то встречающиеся.

1-Й случай. Скважины проходятся на участке с неглубоким залеганием подземных вод. Динамический уровень находится на глубине 60м. Приток воды в скважину устойчивый и превышает 0,2 л/с.

При остановке пневмобурения по любой причине (наращивание сна -ряда, смена бурового наконечника и т.д.) в скважине образуется столб воды, оказывающий гидростатическое сопротивление выходу воздуха из пневмоударника. Дальнейшая работа пневмоударника в этом случав возможна при соблюдении условия    l.

Pp^>Pe^>w^e' ⁽²⁾

13

где Рр - рабочее давление воздуха в напорной линии коипрес -сора, кгс/см2;^ - противодавление столба воды, действующее на выходе из пневмоударника, кгс/смfl# - высота столба воды над пневмоударником, м; К - коэффициент пропорциональности для воды, равный 10*

Учитывая, что глубина скважины H=hq + h# ,    (3)

получим    ап

Ртазс⁼^у ⁺ (тасс)~ ^ст * ^    ^

гд&Н_таа: - предельная глубина скважины, м^^^^-максима л ь н о допустимая высота столба, удовлетворяющая условию (I), м;/>^ - динамический уровень воды скважины, yL\h_cm - статический уровень воды, м; о - понижение уровня воды, и.

С целью проверки зависимости (4) на ряде скважин проводили сь наблюдения по определению фактических предельных глубин пневмо -ударного бурения, при которых под действием гидростатического давления столба воды работа пневмоударников прекращалась.

Результаты наблюдений показали, что расчетные значения пре -дельной глубины пневмоударного бурения скважин достаточно близко совпадают с фактическими их величинами. Отклонения в основном находятся в пределах точности регулировки предельного давления,раздеваемого применяемыми компрессорами. В силу этого предлагаемая лормуда рисчета проектных предельных глубин бурения пневмоударны-. l снятий хожет успешно использоваться для оговоренных условий. 0 ця ю ..аргдзшш реиения данной задачи рекомендуется также поль-зологограммой (рис.2), составленной для наиболее распрост*-ране:. лд j геологических организациях компрессоров типа ПК-10 с довиваемым рабочим давлением воздуха 6-7 кгс/см².

Искомая величина находится по известным данным дебита ), •дельного дебита ( у ) и статического уровня ф_ст ) скважины .Для jToro иа найденной точки на шкале Q восстанавливают перпендикуляр до пересечения с линией фактического значения удельного деби-•*8 и проводят горизонталь до шкалы понижения уровня ( S) • После «его на шкале Л находят точку, из которой опускают перпендику -дяр па ординату понижения уровня S . Из точки пересечения па -доллельно линиям коэффициента загрузки бурового снаряда проводят .1врпендикудяр на шкалу Н_с , по которой и читается искомая вели -шиа предельной глубины пневмоударного бурения.

Пример. Исходные данные: дебит скважины Q = 5 л/с,удельный дебит ^ = 0,2 л/с-м, статический уровень/?_с/7? = 15 м. Понижение S = 25 м. Точка пересечения горизонтальной линии 25 м и

14

УДК 622.233.53

Настоящие методические рекомендации составлены канд.техн.наук U.H.Климентовым и В.И.Тилем на основе опытно-экспериментальных и теоретических исследований, выполненных авторами в КаэГГУ и институте ВИОГЕМ. В работе описывается прогрессив -ная техника и технология бурения скважин с применением погружных пневмоударных машин, рассматри -ваются вопросы выбора оборудования и методики проведения работ в различных гидрогеологичес к и х условиях.

Рекомендации рассчитаны на широкий круг спе -циалистов - производственников, проектировщиков и научных работников, занимающихся вопросами раз -ведки и осушения месторождений полезных иско п а -емых.

Рекомендации печатаются по решению секции на -учно-технического совета ВИОГЕМ от* 5 декабря 1978 г.

/Всесоюзный нйучио-исслздодатсльскиД и проектно-конструкторский институт но осушонию месторождений пола-них ископаемых, специальным горным риботам, рул нм мной* геологии и .чу|ркшийлорскому делу (ВИОГЕМ), 197S).

ВВЕДЕНИЕ

Пневматические, гидравлические и вибрационные механизмы и сис -темы получают все более широкое применение в современной технике и технологии бурения скважин различного назначения в подземных выработках и на открытых горных работах. Пневмоударные станки-полу -автоматы широко применяются при внедрении на рудниках высокоэффективных систем разработки с поточной технологией добычи полезных ископаемых. Погружные .пневмоударные машины позволяют с большой скоростью проходить породы высоких категорий по буримости ( с У1 по ХЛ), максимально уменьшить возможность кольматации водовме щ а -ющих интервалов, производить высококачественное опробование водо -носных горизонтов.

Указанный способ является сравнительно новым, требующим дальнейшего совершенствования при сооружении дренажных, опережающих, разгрузочных, наблюдательных и других скважин в сложных гидрогео -логических условиях.

К настоящему времени накоплены опыт и теоретический матери -ал, отражающие развитие и современное состояние ударно-вращатель -ного способа бурения, однако, этот материал очень разнороден, приводен в различных источниках и слабо отражает современные особен -пости техники и технологии бурения дренажных скважин при осуше -нии месторождений полезных ископаемых.

Актуальные вопросы выбора оборудования, технологии бурения при значительных водопритоках, отработки методики и технологии прове -дения наблюдений, особенности производства операций с применением погружных пневмоударных машин рассматриваются авторами в предлагаемой работе, в основу которой положены результаты опытно-экспери -ментальных и теоретических исследований, проведенных в организациях Министерства геологии и институте ВИОГЕМ.

I. ОБОСНОВАНИЕ И ВЫБОР ОБОРУДОВАНИЯ И ИНСТРУМЕНТА ПРИ БУРЕНИИ ПОГРУЖНЫМИ ПНЕВМОУДАРНЫМИ МАШИНАМИ

I.I. Погружные пневмоударные машины

В настоящее время разработано значительное количество погружных пневмоударных машин, весьма разнообразных по конструкции и техни -ческим параметрам. Кроме того, выпускаются пневмомашины,которые не относятся к группе собственно пневмоударников, но подобны им по конструктивному исполнению. Условно все пневматические машины, которые могут применяться при бурении скважин, подразделены на еле -дующие группы:

1)    перфораторы;

2)    погружные пневмоударники;

3)    пневмоударные расширители для скважин;

4)    комбинированные снаряды ударно-вращательного бурения с пневмоударниками;

3) пневмопробойники реверсивные.

В зависимости от устройства системы распределения воздушно-во -дяной смеси выделяются пневматические машины с клапаПным, золотниковым, бесклапанным и комбинированным распределением [91 • В каче -стве энергоносителя в основном употребляется сжатый воздух, хотя часто при бурении скважин пневмоударные машины работают на воздушно-водяной смеси. Из числа отечественных погружных пневматическ и х мамин и наборов, находящихся в серийном производстве, для буре -ния скважин могут быть применены машины, приведенные в табл.1.

Т.2. Долота и коронки для погружных пневмоударников

Долота и коронки предназначены для разрушения забоя и отработки стенок скважины и должны отвечать следующим основным требованиям: иметь высокую прочность и износоустойчивость, быть относительно простыми в изготовлении, допускать многократную заточку и способ -ствовать удалению шлама. По способу удаления шлама из забоя сква -хины они делятся на долота с продувкой через корпус и внешней продувкой струей воздуха или воздушно-водяной смеси.

Погружные пневмоударники оснащаются в основном крестовыми долотами, которые хорошо обрабатывают скважину по диаметру и дают лучшие показатели в трещиноватых породах. К недостаткам их следует отнести трудность заточки и снижение ударной нагрузки на единицу длины лезвия долота. Однако в силу большой износоустойчивости рей-

4

чл

совая скорость у таких долот выше, чей у долот с одним лезвием. Достоинство долот с опережающими лезвиями в увеличении оворости проходки, так как работа боковых лезвий облегчается дополнительной обнаженной плоскостью по центру, и в удобстве при забуривании восстающих, опережающих и дренажных скважин в крепких горных породах.

Так как буровые установки с пневмоударниками используются в основном при проходке крепких пород, то вопросам прочности долот придается особо важное значение. Материалом для изготовления до -лот служит сталь 45ХН и твердый сплав BK-I5 (форма Г-1301) [ю].

Более совершенными долотами, изготовляемыми фирмами Швеции,следует считать долота со сферическими штырями. Материал их подбмра -ется с расчетом обнажения штырей в поверхности по мере износа.

1.3. Расширители и комбинированные буровые снаряды

Для получения дренажных скважин большого диаметра в крепких и устойчивых породах рационально применять расширители и специаль -чые снаряды с погружными пневмоударными машинами.

При методе последовательного расширения первоначально необходимо пробурить скважину диаметром 105-160 мм, а затем с помощью расширителя увеличить диаметр до проектных размеров (406-762 мм). В случае бурения скважин с выходом в горные выработки расширение монет производиться сверху вниз или снизу вверх. Расширители иногда включают в себя от 2 до 9 пневмоударников, направляющие фонари и коллектор, который служит для крепления пневмоударников и распре -деления воздушно-водяной смеси. Обычно пневмоударные машины осна -деются долотами без опережающих лезвий типа К-105, К-125, К-160.

С.4. Оборудование и инструмент

.< буровым станкам и оборудованию при бурении скважин с примене-dH6M пневмоударных машин предъявляются следующие требования:

зозможность плавного регулирования подачи бурового инструмента;

заличие нескольких передач с малыми скоростями вращения шпин -

деля;

зозможность удобного размещения над устьем скважины герметизи -дующего устройства (превентора);

транспортабельность буровой установки с наименьшими затратами времени на монтаж, демонта* и перевозку;

6

надежность в работе и высокие эксплуатационные показатели.

Из буровых станков геологоразведочного ряда для пневмоударного бурения применяются самоходные буровые установки с гидравлической подачей инструмента типа УГБ-50М, СБУДМ-ЗОО-ЗИВ и УКБ-500С.

Широко распространенные в гидрогеологических организациях са -моходные буровые установки типа УРБ-2А, УРБ-ЗАМ и 1БА-15В, имею -щие свободную подачу инструмента, могут применяться лишь в исключительных случаях. Наяример, для бурения скважин пневмоударником М-32К глубиной более 120-150 м или при небольшом объеме работ, когда пополнение бурового парка одним станком иного типа быва е т экономически невыгодно. При этом указанные роторные устано в к и должны быть снабжены индикаторами веса или динамометрами ( луч -ие применять динамометры типа ДПУ-Ю-2, имеющие достаточную точность измерения).

Успешно могут применяться стационарные буровые станки типа УКБ-300/560, ЗИФ-650М, СБА-500 и другие. Однако при бурении сравнительно мелких скважин они требуют больших затрат времени на их монтаж, демонтаж и перевозку.

На всех буровых установках, кроме УКБ-500С, УРБ-ЗАМ и 1БА-15В, для привода отсасывающего вентилятора требуется дополните ль н а я установка генератора переменного тока мощностью 5-7 кВт, в каче -стве которого может быть использован генератор типа ПНТ-8,5 или ЕСС-62-4М.

В комплект буровых установок входит промывочный насос. При пневмоударном бурении часто необходимость в нем отпадает. Однако, демонтировать его не рекомендуется, так как он может быть использован при комбинированном бурении скважин, т.е. при чередованиях пневмоударного способа с вращательным.

Особое внимание при пневмоударном бурении должно уделяться выбору бурильных труб. При этом важно получить кольцевой зазор,обеспечивающий необходимую скорость восходящей струи воздуха,а еле -довательно, и нормальную очистку забоя от шлама размерами до 10 мм и более.

Как показывают практические наблюдения и расчеты, необходимая скорость восходящей струи потока воздуха достигается следующим соотношением диаметров скважины и бурильных труб: а)диаметр скважины - 155 мм, диаметр бурильных труб - 73 мм; б) диаметр скважины - 105 мм, диаметр бурильных труб - 63,5 мм.

Количество воздуха для приведенных соотношений сечений скважин и бурильных труб определяется по эмпирической формуле

7

/>_ 4034,4 (В² - +O_tOS33Q_CH_C

4-    ~Щб    м    /мин,

где D - диаметр скважины, м; d_ - диаметр бурильных труб, м; Q_c- дебит воды в скважине, л/с;/%- статический уровень воды в скважине, м.

Следует отметить, что буровые установки комплектуются компрес -сорами, обеспечивающими скорость потока воздуха в кольцевом зазоре до 20,5-22 м/с, что обеспечивает нормальный вынос шлама из за -боя скважины и поэтому не требует применения шламовых труб.

Большую роль в снижении потерь давления в циркуляционной системе играет правильный выбор оборудования наземной обвязки (резино -вых рукавов и сальников-вертлюгов). Она должна выбираться с учетом внутреннего поперечного сечения. При пневмоударном бурении внут -ренний диаметр рукавов должен быть не менее 38 мм,а сальникв-верт-люга - более 30 мм.

Для снижения потерь давления в кольцевом зазоре скважины, улучшения условий очистки забоя от шлама и обеспечения надежной герметизации ее устья целесообразно применять превентор типа П-5 с от -сасывающим центробежным вентилятором и шламоотводящим трубопрово -дом. Выбор вентилятора надлежит производить с учетом удвое иной производительности используемого компрессора [14] •

Использование отсасывающих вентиляторов (типа Ц-13/50, № 2) позволяет значительно улучшить условия труда буровой бригады и повысить долговечность герметизирующего устройства.

Для отвода шлама и пыли лучше и удобнее использовать полиэтиленовые трубы, внутренний диаметр которых во избежание отложения крупных частиц должен быть таким, чтобы скорость воздушного потока была не меньше, чем в кольцевом зазоре ствола скважины.

Помимо перечисленного оборудования при бурении гидрогеологических скважин погружными пневмоударниками рекомендуется применя т ь следующие приспособления [Н,12|:

1)    обратный клапан, включаемый в нижнюю часть буровой колонны с целью предотвращения засорения шламом бурового снаряда и пневмоударника;

2)    быстроразъемные соединения пневморукавов для облегчения монтажно-демонтажных работ;

3)    калибровочные кольца с разницей внутреннего диаметра 0,5-1ыы для упрощения замеров износа долот по наружному диаметру;

'О ловители коронок типа ЛК-105 и ЛК-155.

В 1979 г. планируется освоение и выпуск новой техники,перепек -тивной для бурения скважин с применением ударно-вращательного спо-

8

соба:    передвижные    буровые    установки НПО "Геотехника" УКБ-4П

(УКБ-300/500 - базовая модель), УКБ-5П, УКБ-7П. При бурении скважин глубиной до 24-35 м из открытых горных выработок могут быть применены буровые установки СБУ-ЮО, СБУ-ЮОГ, СБУ-125* СБУ-125У и БМК-4М.

Буровые установки СБУ-125 и СБУ-125У отличаются высокой степенью механизации основных операций, наличием хорошей системы пылеулавливания и комфортабельным оборудованием кабины для машиниста.

1.5. Технические средства для сооружения скважин из подземных выработок

Освоение месторождений полезных ископаемых в сложных гидрогеологических условиях не обходится без применения скважин различного назначения. Для бурения большинства скважин рекомендуется ударно-вращательный способ в комбинации с вращательным. Для бурения мелких скважин (30-40 м) серийно выпускаются легкие станки типа ДС-4, КБУ-80, ПБУ-80. Последние рассчитаны на применение энергии сжатого воздуха, перфораторов ПК-75 и механизма подачи с пневмо -двигателем. С помощью установок типа КБУ-80 можно бурить круговой веер скважин в вертикальной и горизонтальной плоскостях из горной выработки размерами не менее 2,5 х 2,5 м. С помощью станка ПБУ-80 направление бурения осуществляется по круговому вееру в вертжаль-ной плоскости, а также восходящие и нисходящие параллельные скважины на расстоянии 0,8 м в обе стороны от оси станка.

Для бурения скважин глубиной более 50 м ударно-вращатель н ы м способом из подземных горных выработок могут с успехом применяться установки типа НКР-ЮО, БСК-2М2-Ю0, БСК-2В(и)-100, СБА-500ГЭ и др.

1.6. Новые буровые установки для сооружения дренажных скважин

При работе с вышеуказанными установками наибольшие затруднения наблюдаются при сооружении дренажных скважин (восстающих, горизонтальных и наклонных), которые, как правило, должны вскрывать высоконапорные водоносные горизонты (с напором до 20 кгс/см²)с обеспечением необходимой безопасности при бурении и посадке фильтро -вой колонны.

Выпускаемые серийно буровые установки не отвечают указанны м требованиям, предъявляемым к ним при сооружении дренажных скважин

9