Патент на изобретение №2344264

(54) ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ВЫРАБОТОК В ОСАДОЧНЫХ ГОРНЫХ ПОРОДАХ

(57) Реферат:

Изобретение относится к процессам проходки осадочных горных пород путем воздействия на разрушаемую среду энергией струй рабочего агента: газовых, парогазовых, газожидкостных, комбинированных и может быть использовано для образования выработок в различных технологических процессах. Технология образования выработок включает разрушение горных пород на забое путем воздействия на буримую среду энергией рабочего агента в виде струй, истекающих под давлением из полости рабочего органа бурильного аппарата. Углы контакта струй рабочего агента с поверхностью разрушаемой породы на забое и со стенками выработки непосредственно у забоя относительно оси проходимой выработки и плоскости радиального сечения ее ствола, выбирают в пределах: от 10° до 60° по отношению к поверхности забоя, от 0° до 90° по отношению к оси в направлении к устью выработки, от 0° до 45° к поверхности стенки ствола проходимой выработки в плоскости ее радиального сечения. При проходке неустойчивых и водонасыщенных горизонтов для эвакуации бурового шлама к устью выработки формируют канал по оси выработки в виде упругоподатливого кольца, заполненного жидкостью, удельный вес которой превышает удельный вес жидкости, поступающий между упругоподатливым кольцом и стенкой выработки. Бурильный аппарат связан тягами с упругоподатливым кольцом. Обеспечивает повышение эффективности технологии образования выработок. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к процессам проходки осадочных горных пород путем воздействия на разрушаемую среду энергией струй рабочего агента: газовых, парогазовых, газожидкостных, комбинированных и может быть использовано для образования выработок в различных технологических процессах.

В настоящее время известны способы образования выработок в горных породах путем воздействия на разрушаемую среду энергией струй рабочего агента под давлением [RU №2161245, 27.12.2000, А.Плугин; RU №2158369, 17.08.1999, А.Плугин; DE №2607046; JP №61-33940; US №4073351].

Существенными и очевидными недостатками этих способов являются: высокие энергетические затраты на процесс проходки выработки ввиду отсутствия операций регулирования удельных расходов рабочего агента на забое при меняющихся условиях в процессе смены горизонтов по длине ствола, что приводит к незначительной эффективности технологии образования выработок в неоднородных осадочных горных породах.

Наиболее близким решением данной проблемы является технология образования выработок в осадочных горных породах, включающая разрушение горных пород на забое путем воздействия на буримую среду энергией рабочего агента в виде струй, истекающих под давлением из полости рабочего органа бурильного аппарата [RU 2178506, 20.01.2002, А.Плугин].

Существенным недостатком этой технологии является однородность операций подачи рабочего агента на забой и отсутствие методов и средств регулирования кинетической, тепловой энергии и массовых параметров рабочих струй, что приводит к существенному снижению эффективности отдельных операций (разрушение, закрепление стенок, удаление бурового шлама к устью) и всего процесса образования выработок.

Технической задачей и положительным результатом данного изобретения является повышение эффективности технологии образования выработок за счет более рационального расхода рабочего агента и распределения его массы в отдельных рабочих струях, а также путем регулирования подачи кинетической и тепловой энергии на забой, стенки выработки и на вынос бурового шлама, при учете всех штатных и аномальных, стахостически проявляемых условий в выработке.

Это в изобретении достигается за счет технологии образования выработок в осадочных горных породах, включающей разрушение горных пород на забое путем воздействия на буримую среду энергией рабочего агента в виде струй, истекающих под давлением из полости рабочего органа бурильного аппарата, при этом углы контакта струй рабочего агента с поверхностью разрушаемой породы на забое и углы со стенками выработки непосредственно у забоя, относительно оси проходимой выработки и относительно плоскости радиального сечения ее ствола, выбирают в пределах: от 10° до 60° по отношению к поверхности забоя, от 0° до 90° по отношению к оси в направлении к устью выработки, от 0° до 45° к поверхности стенки проходимой выработки в плоскости ее радиального сечения, а при проходке неустойчивых и водонасыщенных горизонтов для эвакуации бурового шлама к устью формируют канал по оси проходимой выработки в виде упругоподатливого кольца; канал соединен с бурильным аппаратом тягами, полость канала заполнена жидкостью, удельный вес которой превышает удельный вес жидкости, поступающей между упругоподатливым кольцом и стенкой выработки, общую энергетическую мощность, передаваемую от рабочего органа на забой выработки, определяют по зависимости

где: N_ОМ – общая энергетическая мощность;

N_К – кинетическая энергия, передаваемая на забой;

N_Т – энергия тепловая, передаваемая на забой;

N_ВП – энергия на образование потока бурового шлама к устью,

а с учетом меняющихся условий при проходке выработки N_ОМ задают зависимостью

где: К_КЭ – поправочный коэффициент на потери кинетической энергии,

К_ТЭ – поправочный коэффициент на потери тепловой энергии,

К_h – поправочный коэффициент на удлинение выработки при проходке,

К_ДСВ – поправочный коэффициент на диаметр ствола выработки,

К_ДБА – поправочный коэффициент на диаметр частей бурового аппарата,

К_ДВС – поправочный коэффициент на давление высоты водяного столба,

К_ВП – поправочный коэффициент на массу восходящего от забоя потока бурового шлама во время проходки выработки.

Технология образования выработок также учитывает, что геометрию забоя формируют или в виде плоской поверхности, нормальной по отношению к оси выработки, или в виде криволинейной поверхности, или в виде ступенчатой каскадной, а к коэффициентам К_КЭ и К_ТЭ вводят поправочный коэффициент на форму поверхности забоя выработки К_ФЗ.

При проходке горизонтальных и наклонных выработок, канал, сформированный по оси выработки, оснащают по длине упругоподатливыми полыми выступами с образованием зазора между ними.

Технология поясняется графическим материалом, где:

на фиг.1 показан общий вид бурильного аппарата для реализации технологии проходки выработки;

на фиг.2 – сечение по I-I на фиг.1 – форма канала по оси выработки;

на фиг.3 – сечение по II-II на фиг.1 – соединение канала с аппаратом;

на фиг.4, 5, 6, 7 и 8 показаны варианты направлений проходки выработки: вертикальные, наклонные и горизонтальный.

Бурильный аппарат содержит корпус 1 в виде удлиненного цилиндра и оснащен рабочим органом 2, предназначенным для разрушения пород на забое 3 выработки 4, начиная от ее устья 5 (фиг.1).

При проходке неустойчивых и водонасыщенных горизонтов в полости (стволе) 6 выработки формируют канал 7 по оси 8 выработки в виде упругоподатливого кольца 9, полость 10 которого заполнена жидкостью; ее удельный вес выбран превышающим тот же показатель жидкости, поступающей в кольцевой зазор между кольцом 9 и каналом 7 и стенкой выработки.

Такая конструкция аппарата (фиг.1, 2, 3) и технология его использования позволяет эффективно проходить выработки в любом заданном направлении: вертикальном (вниз) 11, горизонтальном 12, наклонном (вниз) 13, наклонном (вверх) 14, а также – вертикально вверх 15 (фиг.8, 7, 6, 5, 4).

Для точного ориентирования канала 7 по оси 8 он оснащен по длине упругоподатливыми полыми выступами 16 в виде труб, между которыми образованы полости 17, отделяющие стенку канала 7 (фиг.2) от стенки выработки; при этом процесс проходки выработки осуществляют нормальной работой аппарата 1 при эвакуации бурового шлама по полости канала 7 к устью 5 и сохранении стенок 6 выработки устойчивыми при нахождении жидкости в полости 17.

Бурильный аппарат 1 и его рабочий орган 2 предназначен для разрушения пород и формирования при этом забоя в виде криволинейной поверхности 3 или в виде плоской – 18, или в виде ступенчатой каскадной – 19, при этом постоянное удаление бурового шлама в канал 7 происходит благодаря соединению аппарата 1 с каналом 7 (10) с помощью отрезков тяг 20 (фиг.3).

Технологию образования выработок, как она часто изложена, в осадочных горных породах осуществляют следующим образом. Рабочим органом 2 аппарата 1 разрушают породы на забое 3 (18, 19), начиная от устья 5 выработки 4 (6); струи, истекающие из сопел рабочего органа, ориентированы под различными углами к забою, меняя контакт струи с поверхностью забоя в широком диапазоне: от 10° до 60° по отношению к оси выработки; от 0° до 90° по отношению к оси 8 и в направлении к устью 5; от 0° до 45° к поверхности стенки проходимой выработки в плоскости ее радиального сечения. При этом энергетические затраты и общую мощность, передаваемую на забой, как указано выше, выбирают согласно зависимости (I)

N_ОМ=N_К+N_Т+N_ВП,

а, как отмечено выше, N_ОМ определяют с учетом коэффициентов по зависимости (II)

N_ОМ=N_К·К_КЭ+N_Т·К_ТЭ·К_h+N_ВП·К_ДСВ·К_ДБА·К_ДВС·К_h·К_ВП.

При необходимости смены углов наклона (к забою, к стенке, к устью) и проходке выработки разрушением забоя различной формы (криволинейная, плоская, ступенчато-каскадная) к коэффициентам К_КЭ и К_ТЭ вводят поправочный коэффициент К_ФЗ на форму забоя и его конкретную поверхность.

Таким образом, разработанная технология образования выработок в осадочных горных породах позволяет оперативно менять и выбирать операции и режимы проходки выработки в зависимости от меняющихся условий в стволе выработки, предупреждая возникновение аварийных ситуаций, что позволяет более эффективно вести процессы технологии образования выработки.

Формула изобретения

1. Технология образования выработки в осадочных горных породах, включающая разрушение горных пород на забое путем воздействия на буримую среду энергией рабочего агента в виде струй, истекающих под давлением из полости рабочего органа бурильного аппарата, отличающаяся тем, что углы контакта струй рабочего агента с поверхностью разрушаемой породы на забое и со стенками выработки непосредственно у забоя относительно оси проходимой выработки и плоскости радиального сечения ее ствола выбирают в пределах: от 10 до 60° по отношению к поверхности забоя, от 0 до 90° по отношению к оси в направлении к устью выработки, от 0 до 45° к поверхности стенки ствола проходимой выработки в плоскости ее радиального сечения, а при проходке неустойчивых и водонасыщенных горизонтов для эвакуации бурового шлама к устью выработки формируют канал по оси выработки в виде упругоподатливого кольца, заполненного жидкостью, удельный вес которой превышает удельный вес жидкости, поступающий между упругоподатливым кольцом и стенкой выработки, при этом бурильный аппарат связан тягами с упругоподатливым кольцом, а общую энергетическую мощность, передаваемую от рабочего органа на забой, определяют по зависимости:

N_ОМ=N_К+N_Т+N_ВП,

где N_ОМ – общая энергетическая мощность;

N_К – кинетическая энергия, передаваемая на забой;

N_Т – энергия тепловая, передаваемая на забой;

N_ВП – энергия на образование потока бурового шлама к устью,

а с учетом меняющихся условий при проходке выработки N_ОМ задают зависимостью:

N_ОМ=N_К·К_КЭ+N_Т·К_ТЭ·К_h+N_ВП·K_ДСВ·K_ДВА·К_ДСВ·К_h·K_ВП,

где К_КЭ – поправочный коэффициент на потери кинетической энергии;

К_ТЭ – поправочный коэффициент на потери тепловой энергии;

К_h – поправочный коэффициент на удлинение выработки при проходке;

К_ДСВ – поправочный коэффициент на диаметр ствола проходимой выработки;

К_ДВА – поправочный коэффициент на диаметр частей бурового аппарата;

К_ДВС – поправочный коэффициент на давление высоты водяного столба;

К_ВП – поправочный коэффициент на массу восходящего от забоя потока бурового шлама во время проходки выработки.

2. Технология образования выработок по п.1, отличающаяся тем, что при проходке горизонтальных и наклонных выработок канал, сформированный по оси выработки, оснащают по длине упругоподатливыми полыми выступами с образованием зазора между ними.

3. Технология образования выработки по п.1, отличающаяся тем, что геометрию забоя формируют в виде плоской поверхности, нормальной по отношению к оси выработки, или в виде криволинейной поверхности, или в виде ступенчатой каскадной, при этом к коэффициентам К_КЭ и К_ТЭ вводят поправочный коэффициент на форму поверхности забоя выработки К_ФЗ.

РИСУНКИ