Основы Горного Производства. Калиниченко О. И., Зыбинский П. В., Хохуля А. В. Основы горного производства
 Скачать 18.24 Mb.
|
|
Калиниченко О.И., Зыбинский П.В., Хохуля А.В. ОСНОВЫ ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА Рекомендовано научно-издательским советом Донецкого национального технического уни- верситета в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по направлению «Горное дело» специальности «Бурение» Донецк 2012 УДК [550.8: 622. 3.05: 622.279.24: 622.143 (075.8)] Калиниченко О.И., Зыбинский П.В., Хохуля А.В. Основы горного производства: Учебное пособие для вузов. – Донецк: Норд-Прес, 2012. – 309 с. Рецензенты: Левит В.В. – докт. техн. наук, профессор, генеральный директор ООО «Шахтостроительная компания «Донецкшахтопроходка» Краснощек А.А. – заместитель генерального директора ГХК «Спец- шахтобурение». В учебном пособии, с возможностью получения первоначальных зна- ний для дальнейшего углубленного изучения специальных курсов, с разной формой детальности изложены общетехнические понятия и наиболее суще- ственные технологические системы (горная, буровая и горно-буровая), при- меняющиеся при разведке и разработке месторождений полезных ископае- мых. При написании учебного пособия использованы труды известных отечественных и зарубежных ученых, которыми решен ряд важнейших про- блем в области проходки подземных горных и горно-разведочных вырабо- ток; бурения стволов и скважин; подземной и открытой разработки место- рождений полезных ископаемых; создания современной техники, а также в области подготовки специалистов для горной и буровой отраслей горного производства. К ним относятся Агошков М.И., Багдасаров Ш.В., Борисов С.С., Брылов С.А., Бурчаков А.С., Вадецкий Ю.В., Воздвиженский Б.И., Власюк В.И., Волков А.С., Грабчак Л.Г., Егоров П.В., Кадзаев Ю.В., Кали- нин А.Г., Кантович Л.И., Качан В.Г., Козлов А.В., Ксенофонтова А.И., Лукьянов В.Г., Малевич Н.А., Мельников Н.В., Миндели Э.О., Несмотряев В.И., Неудачин Г.И., Пальянов П.Ф., Пилипец В.И., Плаксин И.Н., Покров- ский Н.М., Протодьяконов М.М., Ржевский В.В., Стоев И.С., Сулакшин С.А., Сыркин П.С., Хореев В.А., Ткачев В.А., Шамшев Ф.А., Шехурдин В.К., Юшков А.С. и многие другие. Учебное пособие подготовлено на кафедре технологии и техники гео- логоразведочных работ Донецкого национального технического универси- тета, в соответствии с программой курса «Основы горного производства» и предназначено для студентов специальности «Бурение». СОДЕРЖАНИЕ стр. ПРЕДИСЛОВИЕ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 КРАТКАЯ ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МЕСТОРОЖДЕНИЯХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1 ОСНОВЫ МЕХАНИКИ И ВИДЫ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.1. Горные породы и их основные физико-механические свойства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.2 Классификации горных пород . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 1.3 Виды разрушения горных пород . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2 ОСНОВЫ ГОРНОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ . . . . . . 36 2.1. Классификация горных выработок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.2. Элементы и параметры горных выработок . . . . . . . . . . . . . 44 2.3. Горные предприятия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.4. Процессы при проведении горных выработок . . . . . . . . . . . 47 2.5. Разрушение горного массива . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2.6. Уборка породы в горных выработках . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 2.7. Крепление горных выработок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 2.8. Вентиляция горных выработок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 2.9. Водоотлив при проходке горных выработок . . . . . . . . . . . . 158 2.10. Освещение горных выработок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 2.11. Общая характеристика подземного способа разработки месторождений полезных ископаемых . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 2.12. Основы открытой разработки полезных ископаемых . . . . . 169 Вопросы и темы модульного контроля знаний. Литерату- ра для самоподготовки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 3 БУРОВАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СИСТЕМА . . . . . . . . . . . . . . . 181 3.1. Основные сведения о буровых скважинах . . . . . . . . . . . . . . 181 3.2. Бурение нефтяных и газовых скважин . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 3.2.1. Способы бурения скважин на нефть и газ . . . . . . . . 190 3.2.2. Буровые установки. Оборудование и инструмент для бурения скважин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 3.2.3. Промывка скважин и очистка обработанного в скважине бурового раствора . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 220 3.2.4. Производственный цикл строительства скважины. . 223 3.3. Краткая характеристика промыслового освоения нефтя- ных и газовых месторождений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 3.4. Особенности освоения морских углеводородных место- рождений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 3.5. Бурение геологоразведочных скважин . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 3.5.1. Буровые установки, оборудование и инструмент. . . 243 3.5.2. Промывка скважин . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267 3.5.3. Технологические операции и режимы бурения скважин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 3.6. Бурение скважин из подземных горных выработок . . . . . . 273 3.7. Бурение стволов и восстающих горных выработок. . . . . . . 285 4 ГОРНО-БУРОВАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СИСТЕМА . . . . . . . . 301 Вопросы и темы модульного контроля знаний. Литерату- ра для самоподготовки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305 5 ПРЕДИСЛОВИЕ «Основы горного производства» является одной из первых дисцип- лин, формирующих профиль подготовки бакалавра по направлению «Гор- ное дело». Цели изучения дисциплины: овладение горной терминологией и комплексом понятий, форми- рующих область деятельности человека при освоении земных недр; ознакомление с технологическими системами и принципами веде- ния и обеспечения горных, буровых и горно-буровых работ. Изучение дисциплины базируется на основе знаний отдельных дис- циплин гуманитарного, социально-экономического, естественного и обще- технического цикла. В свою очередь, «Основы горного производства» яв- ляются базой для дальнейшего углубленного изучения общетехнических и освоения специальных дисциплин направления. Роль горного дела в создании технологических и культурных состав- ляющих человеческой цивилизации уникальна по своему влиянию практи- чески на все сферы жизни общества и, как область промышленного произ- водства, охватывает разведку месторождений полезных ископаемых, их разработку, строительство горных предприятий и подземных сооружений различного целевого назначения и др. Горная промышленность как составная часть горного дела является важнейшей сырьевой базой, определяющей основные материальные и энер- гетические возможности развития и укрепления независимости для любого государства. Она поставляет минеральное топливо (уголь, горючие сланцы, торф, нефть, природный газ), руды черных, цветных, редких и радиоактив- ных металлов, горно-химическое сырье, строительные материалы и др. Ее мировое производство составляет более 170 млрд. т. Для Украины весьма важной является проблема восстановления и ус- коренного развития горнорудного дела, как основной сырьевой базы метал- лургической промышленности. Государственное значение имеют задачи развития работ по освоению собственных топливно-энергетических ресур- сов – нефти, газа, каменного угля. Причем последний может рассматривать- ся как важнейший сырьевой источник. Сегодня степень использования ми- ровых резервов угля находится на уровне 4%. Для нефти и газа этот показа- тель находится в пределах 70 - 80%. На мировом рынке потребность в неф- ти практически достигла уровня технически возможной ее добычи. Учиты- вая, что уже сейчас многие угледобывающие предприятия в процессе дега- зации шахтных полей успешно реализуют комплексное извлечение полез- ных ископаемых за счет попутной добычи и использования каптируемого 6 газа угольных пластов, будущее угля расширяется возможностью его ис- пользования как первичного сырья для газификации. При имеющемся про- гнозе снижения нефтедобычи в мире уголь становится также реальным сырьем и для гидрогенизации (получение из угля и сланцев синтетического жидкого топлива). Поэтому нет сомнений в том, что, значимость угольных месторождений как доминирующей составляющей экономики Украины возрастет. Важной народно-хозяйственной задачей является необходимость на- ращивания запасов нефти и газа, а также увеличения их добычи, в том чис- ле, за счет освоения месторождений углеводородов в украинской зоне аква- торий Черного и Азовского морей. Учитывая, что скважинная добыча угле- водородов является преобладающим способом разработки нефтяных и газо- вых месторождений, а также, учитывая доминирующее значение скважин при разведке и добыче газа метана как элемента дегазации угольных место- рождений, развитие отмеченного направления горного производства стано- вится весьма актуальным и неизбежным. Горное производство тесно связано с геологией, поисками и развед- кой полезных ископаемых. Независимо от вида полезного ископаемого оп- ределяющим условием развития горно-эксплуатационных работ является обеспечение строящихся или работающих добычных предприятий надеж- ными геологическими данными с высокой степенью изученности запасов. Наиболее распространенным способом разведки является бурение скважин. Вместе с тем, целый ряд месторождений разведываются комплексно по дан- ным бурения скважин и проведения горно-разведочных выработок, либо только с помощью подземных горно-разведочных выработок (при установ- лении запасов месторождений с крайне неравномерным содержанием по- лезных компонентов и невыдержанностью рудных тел по мощности, кото- рые нельзя разведать буровым способом). В этом плане геологоразведочное дело, как часть буровой и горно-буровой технологических систем горного производства становится существенным элементом в деле освоении земных недр. В разработанном учебном пособии обобщены имеющиеся в техниче- ской и учебной литературе материалы по основам наиболее апробирован- ных технологических систем горного производства (горной, буровой и гор- но-буровой) с учетом требований новой программы курса «Основы горного производства» по направлению «Горное дело» для специальности «Буре- ние». 7 КРАТКАЯ ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА История горнотехнической деятельности человека берет начало с по- иска, обработки и использования камня. Более 1,5 млн. лет назад для изго- товления орудий человек использовал разные природные камни, прежде всего кремневые гальки, которые встречались на поверхности земли. По ме- ре повсеместного истощения поверхностных залежей началась добыча кам- ня с некоторой глубины. Широкое освоение методов подземной разработки месторождений кремня наблюдается уже в неолите. Для добычи кремневых конкреций в крутых берегах рек, оврагах и балках выбирались ниши, кото- рые углубляли в виде коротких штолен (горизонтальных выработок), про- тяженность которых достигала 20 м и более. Наряду со штольнями человек начал разработку кремня с помощью вертикальных выработок (шурфов, стволов), которые возникли из развития опыта добычи посредством ям и котлованов (рис. 1). Стволы неолитических шахт представляли собой достаточно глубо- кие колодцы (до 10-17 м), диаметр которых достигал 4 м. Как правило, из донной части ствола в разных на- правлениях расходились горизон- тальные выработки (рис. 2), из ко- торых могли дополнительно прохо- диться добычные ниши или выра- ботки, что формировало достаточно сложные лабиринты, объединяющие несколько стволов. В целом проходка горных вы- работок в глубокой древности мало отличается от перечня операций в Рис . 1. Добыча кремня в вертикальных выработках. Район Красного села, Беларусь. Рис. 2. Добыча кремня в горизонталь- ных выработках 8 современном цикле подземной добычи полезного ископаемого. Для разрушения горных пород использовали орудия из кремня, ок- ремненного песчаника и известняка (рис. 3), костей и рогов животных (рис. 5). Орудия выполняли функции молотов, рубил, долот и ударников, клинь- ев, рычагов, скребков. Для освещения использовали лучины из смолистых пород дерева. Они позволяли осветить рабочее пространство, выделяя минимальное коли- чество дыма (рис. 4). Для обеспечения устойчивости выработок и исключения обрушений пород при их проведении оставляли породные целики из нетронутых пород, которые служили опорами кровли (рис. 6). В отдельных случаях из пород- ных блоков сооружали несущие столбы. Высота выработок составляла от 0.5 до 1.2 м. Рис. 3. Каменные молоты Рис. 4. Сосновая лучина времен неолита Рис. 5. Роговые орудия (неолитическая шахта) Рис. 6. Породные целики (Кшеменки, Польша) Циркуляцию воздуха осуществляли при помощи соединения стволов сбойками и поддержания огня в донной части «вентиляционного» ствола 9 (рис. 7). Возникающая «тяга» (от движения теплого воздуха вверх) создава- ла своеобразную всасывающую систему вентиляции. Совсем недавно (в 1965 г.) в провин- ции Морона-Сантьяго в Эквадоре обнаруже- на древняя система вентиляционных стволов и подземных выработок на глубине 230 м, общей протя- женностью десятки километров. Эти гор- ные выработки с оп- лавленными краями (следствие примене- ния огня для провет- ривания выработок) использовались для добычи золота в IX – IV тысячелетии до н.э. Другие явные следы такого типа проветри- вания при подземной разработке золота (более 10 тыс. лет назад) найдены в Тан- зании в районе озер Виктория и Таньнань- ика (Восточная Афри- ка), а также вблизи озера Титикака в Ан- дах (на западе Южной Америки) Для извлечения крупных конкреций кремня проводили их подработку, причем линзы подпирали деревянными стойками, а после отхода людей - обрушали. Отработанные горизонтальные выработки заполняли пустой породой, которую получали при проведении новых ходов, что повышало устойчивость горного массива. Мотивация тру- доемких работ по заполнению пустот выработанного пространства, особен- но стволов, была связана у древних горняков не столько с технической це- лесообразностью, сколько с сакральными представлениями, предполагав- Рис. 7. Способ проветривания шахты путем поддержания огня в стволе 10 шими своеобразную «экологическую культуру» добычи полезных ископае- мых. Вероятно, существовало табу на «нанесение ран» земной поверхности, что вызывало необходимость их «залечивания» путем заполнения породой. Предполагалось, что взятые таким образом богатства недр «восстановятся», а горняки встретят новые богатые залежи. Такая достойная традиция про- существовала несколько тысячелетий и применялась практически повсеме- стно, как будто горняки всей Евразии обладали в этом вопросе одним об- щим мнением. Эпоха неолита заложила первоосновы горного дела. Вместе с тем ис- черпание запасов обусловливало необходимость осваивать все более слож- ные горно-геологические условия. Это порождало поисковый характер гор- нотехнической деятельности. «Горные люди» сохраняли высокую мотива- цию творческой активности, которая помогала находить богатые месторож- дения и создавать горные технологии и машины для извлечения и перера- ботки руд. Горное искусство передавалось по наследству, из поколения в поколение и было уделом всей жизни «горного человека». Это с детства формировало уважение к шахтерскому труду и почтительное отношение к дарам заемных недр, способствовало эффективной передаче знаний и разви- тию большого профессионального опыта. Технология скважинной добычи полезных ископаемые менее древ- няя. Тем не менее, освоение такой технологии началось в Китае и Японии более 2,5 тыс. лет назад и уже тогда скважины достигали глуби- ны сотен метров. Философ Кон- фуций за 600 лет до н.э. уже со- общал о китайских скважинах глубиной 500 м. Этот рекорд глу- бины был перекрыт только в XIX веке. Первые скважины были пробурены для добычи рассолов. Не исключено, что первые сква- жины использовали для добычи питьевой воды. Целесообразность применения узких глубоких от- верстий в массиве пород основы- валась на свойствах рассолов под- ниматься по скважинам под дей- ствием гидростатического давле- ния и изливаться на поверхность земли. Один из древних центров добычи соли в Юго-Западной Рис. 8. Простейшие варианты китайского способа ударно-канатного бурения 11 провинции Китая носил название Цу-Лиу-Чинг, что в переводе означает «скважины, фонтанирующие сами по себе». Примечательно, что в Китае использовали весьма эффективный спо- соб ударно-канатного бурения, который обеспечивал быстрый подъем и спуск бурового снаряда в скважину путем навивания каната на ворот (или свивания с ворота). Удары на инструмент создавались упругим качанием балансира, прижатого к земле (рис. 8). Общее представление о наиболее ранних конструкциях буровых ус- тановок дано на рис. 9. Опоры буровой вышки, трубы, инструменты, даже буровое долото изготовлялись из бамбука. Устье скважины во избежание обрушения закрывалось каменной плитой с отверстием. Для аварийных случаев были созданы многочисленные конструкции различных вспомога- тельных инструментов. В качестве привода использовали животных и энер- гию падающей воды. Максимальная глубина скважины достигала 1200 м. Китайский способ бурения стал известен в Европе спустя много сто- летий (XII век), поэтому возможность независимого его изобретения евро- пейцами почти исключена. Причем первые сведения о китайском бурении проникли к русским, а затем на Запад. В большинстве случаев здесь исполь- зовалось ручное вращательное и ударное бурение на деревянных штангах (рис. 10). Рис. 9. Общее представление о конструкции китайской буровой установки 12 Диаметр соляных скважин был 1 м, а глубина, как правило, пре- вышала 100 м. Даже для современной техники бурение таких скважин – де- ло не простое. Продолжительность бурения одной скважины глубиной 200- 400 м составляло 3-5 лет. Соляной раствор добывался через рассолоподъем- ные трубы. Они имели трехступенчатую конструкцию: верхняя называлась матрицей, вторая – обсадной, третья – веслой. Трубы были деревянными. Металлические трубы (сначала клепанные) появились в бурении только в XIX в. Высота журавля, достигала 18 м, т.е. по высоте буровое устройство достигало современных размеров. Коромысло, с укрепленным на одном из его концом контргрузом, имело длину 20 м. Ручной ворот оригинальной конструкции с вертикальным расположением оси служил для получения ка- чательных движений инструмента. Буровой инструмент доставлялся в скважину на деревянных шестах, по современной технологии – штангах. Успехи ударно-канатного способа поначалу были настолько велики, что вращательное бурение, известное в далекой древности, надолго – на не- сколько столетий – было забыто. Возрождение его отмечается во времена Леонардо да Винчи (XV-XVI в.). О возобновлении вращательного способа бурения в России упоминается в записях Кириллова монастыря Двинского уезда (1568 г.). Рис. 10. Бурение под рассолоподъемную трубу (Усолье, Россия) 13 Первый рукописный учебник-руководство по бурению скважин « Роспись, как зачать делать новую трубу на новом месте» написан в XVI ве- ке. Здесь «труба» - это скважина. Этот свод правил обобщил многовековую практику бурения скважин по Руси. В «Росписи…» подробно описан инст- румент, его установка и приемы бурения, а также содержится самобытная терминология, свидетельствующая о высоком уровне культуры бурения скважин в России. Старый опыт русского бурения скважин помогал быстро и надежно осваивать буровзрывные работы в шахтах и карьерах. К середине XVIII в. буровзрывное дело стало на уральских рудниках основным видом горных работ. В 1734 г. Вильгельм де Генин описывает уральские и сибирские за- воды с обобщением и подробным изложением техники бурения. Пропагандируя бурение, М.В. Ломоносов писал (1742 г.): «Достигнув места, где с надеждою можно искать подземного богатства, должно пока- зать некоторые способы как бы руд и камней достать под землею. Горный бурав или щуп к тому служит». Рассуждения ученого определяют концеп- цию единства двух сугубо специальных отраслей горного дела, определяя значимость горнопроходческих работ и бурения для развития минерально- сырьевой базы государства. Достижения наших предшественников в горном деле имеют огром- ную ценность. Их советы и рекомендации по методам отработки месторож- дений, организации горного производства, методологии научного и практи- ческого поиска, вопросам постановки общих и частных задач, использова- ния связи науки с практикой, умелому сочетанию государственной потреб- ности и личной заинтересованности актуальны и в наши дни. На современном этапе минерально-сырьевые проблемы, обусловлен- ные интенсивной отработкой разведанных месторождений полезных иско- паемых, для всех без исключения стран мира становятся острейшими и гло- бальными. Вместе с тем уменьшение богатств земных недр, совсем не озна- чает их исчерпания. Детальная геологическая изученность нашей планеты распространяется пока лишь на меньшую ее часть, что предполагает воз- можность открытия новых богатых месторождений. Дальнейший прогресс горной науки, как источника прироста и освоения запасов промышленных категорий минерального сырья направлен на расширение возможности ос- ваивать глубинные залежи, как на суше, так и на шельфе морей и океанов. 14 |