Kursovaya_Kalashnikov Пономарёв. Сооружение гидроизоляционного ограждения шахтного ствола методом тампонажа
 Скачать 326.62 Kb.
|
|
М  ИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФГБОУ ВПОУРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра технологии и техники разведки месторождений полезных ископаемых Курсовая работа по дисциплине: «Технология специальных тампонажных работ» НА ТЕМУ: «Сооружение гидроизоляционного ограждения шахтного ствола методом тампонажа» Студент: Пономарёв В.П. Группа: ТТР-10 Преподаватель: Калашников Е. А. Екатеринбург 2014  СОДЕРЖАНИЕ Введение........................................................................................................3 Геологические и гидрогеологические условия сооружения гидроизоляционных ограждений...........................................4 Проектирование технологических параметров и технологических схем в сооружений в гидроизоляционном ограждений методом тампон.......................................................................6 2.1. Выбор тампонажного раствора и его физико-механических и реологических параметров..........................................................................6 2.2. Проектирование гидроизоляционных ограждений ............................7 2.2.1. Расчет параметров трещиноватости водоносных горизонтов пересекаемые шахтным стволом.................................................................7 Расчет геометрических параметров гидроизоляционных ограждений……………………………………………………...…………….8 2.2.3. Расчет предельно возможных контуров инъекционных потоков…10 2.3. Определение необходимого количества тампонажных скважин для формирования гидроизоляционного ограждения в водоносном пласте.....13 – схема сооружения гидроизоляционного ограждения шахтного ствола в водоносном горизонте................................................................................13 2.4. Выбор профиля и координат заложения тампонажных скважин на поверхности земли..............................................................................................14 – схема, профиль и расположения наклонно направленных тампонажных скважин...........................................................................................................14 2.5. Расчет необходимого количества тампонажных материалов.................15 3. Технология и технические средства производства тампонажных работ…………………………………………………………...17 3.1. Техника и технология бурения тампонажных скважин..........................17 3.2. Техника и технология приготовления тампонажного раствора.............18 – технологическая схема приготовления глиноцементного тампонажного раствора..........................................................................................................19 3.3. Техника и технология тампонажа..............................................................20 – технологическая схема нагнетания тампонажного раствора в трещиноватые водоносные горизонты .........................................................21 Заключение.............................................................................................................22 Список используемой литературы.......................................................................23 Введение Данная курсовая работа является самостоятельной формой изучения теоретического и практических занятий по дисциплине «Технология специальных тампонажных работ» по теме «Сооружение гидроизоляционных ограждений капитальных горных выработок методом тампонажа». В ходе выполнения работы следует разработать технологию тампонажа и технологические схемы производства тампонажных работ, выбрать необходимые технические средства для сооружения гидроизоляционной завесы в определенных горнотехнических условиях, основываясь на комплексе исходных данных о геологических и гидрогеологических условиях залегания водоносных горизонтов, а также их структурных и фильтрационных параметрах. Решаемые задачи в работе по своему содержанию подразделяются на две группы: - проектирование технологических параметров и технологических схем сооружения гидроизоляционных ограждений способом тампонажа; - разработка технологии тампонажа и выбор технических средств для производства тампонажных работ. 1. Геологические и гидрогеологические условия сооружения гидроизоляционных ограждений Проектирование гидроизоляционных ограждений и технологических параметров тампонажа основывается на количественных показателях трещиноватости и гидродинамических характеристиках каждого водоносного горизонта, пересекаемого капитальной горной выработкой. Эти данные устанавливаются путем изучения всех известных геологических документов, а также при проведении специальных гидродинамических исследований методами расходометрии и восстановления давления, определения соотношения проницаемости основных систем трещиноватости горных пород. Для более точной оценки условий производства тампонажных работ, как правило, бурится контрольно-техническая скважина, в которой выполняются геофизические, расходометрические и другие исследования. В задании по работе «Сооружение гидроизоляционных ограждений капитальных горных выработок» содержаться следующие исходные данные: - характеристика капитальной горной выработки, для которой сооружаются гидроизоляционные ограждения; - характеристика геологического разреза с указанием вида, мощности, физико-механических свойств, категории буримости, гидрогеологических и фильтрационных характеристик горных пород; - глубина, условия залегания, строение и структура водоносных горизонтов с оценкой их проницаемости и пластового давления. Содержание и форма задания по курсовой работе: * основные параметры капитальной горной выработки для которой сооружается гидроизоляционные ограждения: - диаметр шахтного ствола 6,0м. * условия залегания водоносных пластов, пересекаемых капитальной горной выработкой: - глубина залегания кровли – 340,0 м; - глубина залегания почвы – 380,0 м; - угол падения пласта - град. * характеристика структуры трещиноватости водоносного пласта: - максимальное раскрытие трещин 0,06 м; - коэффициент трещинной анизотропии – 0,6. * гидродинамические и фильтрационные параметры водоносного пласта: - коэффициент проницаемости – 0,10*10  ; - коэффициент фильтраций – - пластовое давление – 340*10  Па.2. Проектирование технологических параметров и технологических схем в сооружений в гидроизоляционном ограждений методом тампонажа 2.1. Выбор тампонажного раствора и его физико-механических и реологических параметров При сооружении гидроизоляционных ограждений капитальных горных выработок в водоносных трещиноватых горных породах наиболее целесообразно использовать глиноцементные тампонажные растворы. Состав глиноцементного тампонажного раствора, а также его физико-механические и реологические параметры выбираются с учетом условий производства тампонажных работ на основании лабораторных исследований или справочной литературы. В данном случай используется глиноцементный тампонажный раствор имеющий следующие параметры: Таблица 1 физико-механические и реологические параметры глиноцементного тампонажного раствора
где:  – удельная масса тампонажного раствора, г/см ; – пластическая (структурная) вязкость, Па*с; – динамическое напряжение сдвига, Па; – пластическая прочность стабилизировавшегося тампонажного раствора, г/см  ; – статическое напряжение сдвига, мг/см .2.2. Проектирование гидроизоляционных ограждений Рассмотрим методику проектирования гидроизоляционных ограждений, сооружаемых в трещиноватых водоносных горизонтах для подавления водопритоков при строительстве и эксплуатации шахтного ствола. 2.2.1. Расчет параметров трещиноватости водоносных горизонтов пересекаемых шахтным стволом Общая скважность (трещинная пустотность) определяется по формуле:  (1)где:  – скважность (трещинная пустотность), д.ед.; – коэффициент проницаемости трещиноватого горизонта, м . д.ед. (1)При наличии трещинной анизотропии проницаемость в направлении основных двух систем трещиноватости К  и К определяется из следующей системы уравнений: (2) (3) , (4)где: К ; К – проницаемость основных систем трещиноватости, м ; – коэффициент трещинной анизотропии; – коэффициент проницаемости трещиноватого горизонта, м . (3) (4)Скважность,  , обусловлена основными системами трещин, можно рассчитать по формулам, д.ед.; д.ед.; (5) , д.ед.; (5) д.ед. (6) , д.ед. (6)Раскрытие трещин  в каждой основной системе найдем по формулам, м: (7) (7) (8) (8)2.2.2. Расчет геометрических параметров гидроизоляционных ограждений Гидроизоляционная завеса в водоносном трещиноватом пласте с трещинной анизотропией по построению пласта имеет форму эллипса. Поэтому геометрическими параметрами гидроизоляционного ограждения будут полуоси эллипса, направление которых совпадает с направлением основных систем трещин. Полуоси эллипса  характеризующие размеры гидроизоляционной завесы относительно вертикальной оси шахтного ствола, определяются по формулам, м: (9) (10)где: Rств – радиус шахтного ствола, м; Рпл – пластовое давление, Па; hmax – максимальное известное раскрытие трещин, м;  – коэффициент запаса прочности, =3;Рт – допустимая пластическая прочность тампонажного камня через 10-12 суток после закачки, Па, определяется опытным путем по формуле:  (11)где: К – опытный коэффициент, К = 9.   (9) (10)2.2.3. Расчет предельно возможных контуров инъекционных потоков Контур инъекционного потока, формируемого в водоносном трещиноватом пласте с трещинной анизотропией, имеет форму эллипса. Предельно возможные размеры контура будут характеризоваться предельно возможными радиусами распространения тампонажного раствора по направлению полуосей эллипса. Предельно возможные радиусы распространения тампонажного раствора в проницаемые горные породы обусловлены перепадом давления на интервале стенок скважины – контур инъекционного потока, который определяется из условия, Па:  (12)где: Рскв – давление на стенки скважины в интервале проницаемого горизонта, Па; Рк – давление на контуре инъекционного потока Па, Рк = Рпл. Предельно возможный контур инъекционного потока определяется предельно возможным перепадом давления на радиусе распространения при нагнетании выбранным насосом. Поэтому предельно возможный перепад давления для преодоления гидравлических сопротивлений при формировании инъекционного потока рассчитывается по формуле, Па:  (13)где: Рн – давление тампонажного насоса, Па;  Ртр – потери напора при течении тампонажного раствора в нагнетательной системе труб, Па; Рг – гидростатическое давление столба тампонажного раствора в интервале тампонируемого горизонта, Па; Рк – давление на контуре инъекционного потока (давление подземных вод водоносного горизонта), Па. Давление тампонажного насоса Рн принимается максимальным согласно его технической характеристике. Таблица 2 Техническая характеристика насоса 9Т цементировочного агрегата ЦА-320М
* Кратковременный режим работы агрегата Для наших условий Рн = 23,1МПа. Потери напора при течении тампонажного раствора в колонне бурильных труб, диаметром 50 мм., в оптимальном режиме нагнетания составят 3,5 л/с.  ,Па. (14)где: Н – протяженность нагнетательного трубопровода в скважине до кровли водоносного горизонта в метрах; 50 – протяженность нагнетательного трубопровода на поверхности земли в метрах; Р – потери напора в (кгс/см ) на 100 метров труб диаметром 50 мм при давлении в них глиноцементного тампонажного раствора.  (14)Гидростатическое давление столба тампонажного раствора на стенки скважин в интервале водоносного горизонта определяется из выражения, Па:  (15)где: – удельная масса тампонажного раствора, кг/м ; – ускорение силы тяжести, м/с ;Н – глубина залегания кровли водоносного горизонта, м. Рг = 1250*9,8*390 = 4777500 Па  4,78МПа, (15) (13)Предельно возможные радиусы распространения тампонажного раствора из скважины по направлению развития основных систем трещиноватости, м;  (16) (17)где: h11,h22 - раскрытие трещин в основных системах трещиноватости, м; Рпр – предельно возможный перепад давления на радиусах распространения, Па; – динамическое напряжение сдвига тампонажного раствора, Па. (16) (17)Принимаем радиусы распространения тампонажного раствора из скважины по направлению основных систем трещиноватости r11 = 16,2м, r22 = 25,0м. 2.3. Определение необходимого количества тампонажных скважин для формирования гидроизоляционного ограждения в водоносном пласте Зная форму и геометрические размеры гидроизоляционного ограждения, характеризуемые R1, R2, а также форму и геометрические размеры инъекционных потоков, которые характеризуются предельно возможными радиусами распространения тампонажного раствора r1 и r2 из скважины, определяют оптимальное число тампонажных скважин и рациональное их расположение для формирования гидроизоляционного ограждения. Технологическая схема формирования гидроизоляционного ограждения разрабатывается графическим методом. В наших геолого-технических условиях для формирования гидроизоляционной завесы проектируемого шахтного ствола в водоносном горизонте от 390 м. до 430 м. принимаем для производства работ четыре тампонажных скважин. – схема сооружения гидроизоляционного ограждения шахтного ствола в водоносном горизонте от 390м до 430м  2.4. Выбор профиля и координат заложения тампонажных скважин на поверхности земли Координаты заложения тампонажных скважин определяются на плане строительства шахтного ствола, совмещенного с технологическими схемами формирования гидроизоляционных ограждений во всех водоносных горизонтах, пересекаемых стволом. Для совмещения строительных работ по проходке шахтного ствола и тампонажных работ по сооружению гидроизоляционных ограждений закладываются наклонно направленные скважины с заложением на определенном расстоянии от шейки шахтного ствола. Профиль наклонно направленных скважин должен обеспечивать подсечение водоносных горизонтов строго в соответствии с разработанными технологическими схемами формирования гидроизоляционных ограждений в каждом водоносном пласте. Профиль и схема расположения наклонно направленных тампонажных скважин разрабатываются на основе геологического разреза. – схема, профиль и расположение наклонно направленных тампонажных скважин  2.5. Расчет необходимого количества тампонажных материалов Объем нагнетаемого тампонажного раствора через одну скважину для формирования инъекционного потока с предельно возможным контуром определяется из условия, м : (18)где: r1, r2 – радиусы распространения тампонажного раствора из скважины, м; М – мощность водоносного горизонта, м; mт – скважность водоносного горизонта.  (18)Объем тампонажного раствора для формирования гидроизоляционного ограждения шахтного ствола в одном водоносном горизонте, м : (19)где: Vк – объем тампонажного раствора для нагнетания в одну скважину, м ;n – количество тампонажных скважин для формирования ограждения в новом пласте.  (19)Потребный объем базового глинистого раствора для приготовления необходимого объема глиноцементного тампонажного раствора ориентировочно принимается равным его суммарному объему, т.е.  . Тогда потребное количество глины для приготовления необходимого объема глинистого раствора с заданной плотностью определится по формуле, т: (20)где:  – заданная плотность глинистого раствора, т/м ; – плотность воды, т/м ; =1; 2 – плотность сухой глины, т/м ; 2 = 2,3 – 2,6 т /м ;VГ.Р. – потребный объем глинистого раствора, м . (20)Необходимое количество цемента при расходе 100 кг/м глинистого раствора, кг: (21)где: Vг.р. – потребный объем глинистого раствора, м . (21)Потребное количество жидкого стекла при расходе 10 кг/м определяется из условия, кг: (22)где: Vг.р. – потребный объем глинистого раствора, м . (22)3. Технология и технические средства производства тампонажных работ 3.1. Техника и технология бурения тампонажных скважин Технологическая схема производства тампонажных работ предусматривает бурение наклонно направленных тампонажных скважин с поверхности земли. Глубина скважин определяется профилем скважины и глубиной залегания почвы водоносного горизонта, в котором сооружается гидроизоляционное ограждение. Диаметр скважины принимается 93 мм. Устье скважины обязательно закрепляется кондуктором, который цементируется, оборудуется герметизирующим устройством для производства расходометрических работ и, при необходимости, нагнетания тампонажного раствора. Бурение тампонажных скважин осуществляется техническими средствами для вращательного бурения без отбора керна. Выбор буровых установок, бурового инструмента и технологических параметров режима бурения необходимо производить в соответствии с методикой проектирования бурения геологоразведочных скважин на твердые полезные ископаемые. При этом необходимо выбрать технологические средства и технологию для корректировки профиля тампонажных скважин в процессе их бурения в случае их отклонения от проектного профиля. В наших условиях бурение тампонажных скважин осуществляется буровым станком СКБ – 4, без отбора керна. В качестве породоразрушающего инструмента применяются шарошечные долота. Для наклонно направленного бурения тампонажных скважин используется отклонитель непрерывного действия ТЗ-3 (Тарбаган Забайкальский). 3.2. Техника и технология приготовления тампонажного раствора При использовании для сооружения гидроизоляционных ограждений глиноцементного тампонажного раствора целесообразно тампонажный раствор готовить путем введения цемента и структурообразователя в глинистый раствор с необходимыми заданными свойствами. Поэтому оборудование для приготовления тампонажного раствора целесообразно скомпоновать в два независимых технологических комплекса: комплекс для приготовления глинистого раствора из комовой глины и технологический комплекс для приготовления и нагнетания под давлением тампонажного раствора. Необходимо выбрать технические средства и разработать технологические схемы для каждого комплекса. Технологический комплекс для приготовления глинистого раствора следует располагать на площадке с хорошими подъездными путями для доставки глины и с надежной системой водоснабжения. Производительность глинистого комплекса должна соответствовать суточному расходу тампонажного раствора. При разработке технологии приготовления глинистого и глиноцементного тампонажного растворов, необходимо: - определить источник глиноснабжения и дать характеристику исходного глинистого сырья; - выбрать марку цемента и привести его характеристику; - в качестве структурообразователя принять жидкое стекло и привести его характеристику; - выбрать и обосновать параметры исходного глинистого раствора; - выбрать и обосновать состав глиноцементного тампонажного раствора; - привести физико-механические и реологические параметры выбранного тампонажного раствора. – технологическая схема приготовления глиноцементного тампонажного раствора  1 – бункер, накопитель глинистого раствора; 2 – насос 9МГР; 3 – гидромешалка цементно-смесительной машины 2СМН – 20; 4 – емкость под жидкое стекло; 5 – шестеренчатый насос; 6 – промежуточная емкость под смесь глинистого раствора с цементом; 7 – насос 9Т цементировочного агрегата ЦА – 320М. Глинистый раствор из бункера накопителя (1), подают насосом (2) в гидромешалку цементно-смесительной машины (3), куда вводят сухой цемент в необходимом количестве. Количество вводимого в раствор цемента регулируют числом оборотов двигателя смесительной машины в результате осуществляется непрерывное приготовление смеси глинистого раствора с цементом, которая сливается в специальную промежуточную емкость (6). Одновременно глинистый раствор из емкости (6) синхронно всасывается тампонажным насосом (7). Жидкое стекло попадает в смесь глинистого раствора с цементом из специальной емкости (4), шестеренчатым насосом (5) и вводит его в необходимом количестве непосредственно во всасывающий коллектор тампонажного насоса (7), готовый тампонажный раствор после введение в него жидкого стекла нагнетается в скважину. 3.3. Техника и технология тампонажа При разработке общей технологической схемы тампонажа необходимо, прежде всего, выбрать способ приготовления тампонажного раствора непосредственно на площадке производства тампонажных работ. Возможны два варианта: раздельное приготовление и нагнетание тампонажного раствора двумя независимыми технологическими комплексами и совмещенный процесс приготовления и нагнетания, реализуемый одним технологическим комплексом. Технические средства для тампонажа выбираются в соответствии с принятой общей технологической схемой тампонажа. При этом необходимо обеспечить выполнение следующих условий: - максимальное давление цементировочного агрегата или цементировочного насоса должно быть не меньше, чем принято при расчете предельного контура инъекционного потока; - расход тампонажного раствора при нагнетании в тампонажную скважину устанавливается из условия минимизации потерь напора и предупреждения гидроразрыва; - производительность комплекса для приготовления тампонажного раствора должна соответствовать производительности цементировочного агрегата или цементировочного насоса; - система нагнетательных труб, состоящая из манифольдного комплекса и колонны бурильных труб, должна обеспечивать процесс тампонажа при максимальном давлении нагнетательного насоса. Для контроля процесса тампонажа необходимо регистрировать следующие основные технологические параметры: плотность нагнетаемого тампонажного раствора, расход нагнетания и давление нагнетания. Эта задача успешно решается станцией контроля цементирования СКЦ – 2М. Возможно также использование отдельных приборов типа манометров, расходомеров, плотномеров и др. Нагнетание глиноцементных тампонажных растворов при тампонаже трещиноватых горных пород наиболее эффективно производить по зажимной технологической схеме нагнетания, которая позволяет формировать инъекционные потоки при заданном высоком давлении в строго определенные водоносные горизонты. Изоляция тампонируемых горизонтов в скважинах осуществляется с помощью съемных пакерующих устройств или тампонажных пробок. Верхние водоносные горизонты тампонируются по зажимной схеме с помощью герметизирующего устройства на устье скважины. – технологическая схема нагнетания тампонажного раствора в трещиноватые водоносные горизонты     от насоса       1 – Пакерующее устройство ДАУ – 1; 2 – Гидромеханическая пробка ДАУ – 1. Заключение В данной курсовой работе был проведен расчет технологических параметров и разработка технологических схем сооружения гидроизоляционного ограждения шахтного ствола методом тампонажа. Было установлено, что для формирования гидроизоляционной завесы в водоносном горизонте необходимо пробурить четыре наклонно-направленных тампонажных скважин. Распространение глиноцементного тампонажного раствора из каждой отдельной скважины по направлению развития основных систем трещиноватости обеспечит создание водонепроницаемого ограждения на этом участке капитальной горной выработки. Было выбрано современное буровое, тампонажное оборудование, материалы для проведения комплекса тампонажных работ. Список используемой литература 1. Кипко Э.Я. и др. – тампонаж обводненных горных пород 1989г.; 2. Кипко Э.Я. и др. – комплексный метод тампонажа при строительстве шахты. Днепропетровск, 2004г.; 3. Справочник по сооружению шахтных стволов специальными способами под редакцией - Трупака Н.Г. – 1980г.; 4. Шагин Г.П., Калашников Е.А. – методическое указание, «сооружение гидроизоляционных ограждений капитальных горных выработок методом тампонажа». 5. Айтматов, И. Т. Тампонирование обводненных горных пород в шахтном строительстве / И. Т. Айтматов, Б. И. Кравцов, Б. Д. Половов. — М.: Недра, 1972. 6. Беляев, В. Ф. Механические и физико-химические способы укрепления горных пород / В. Ф. Беляев, А. В. Пястолов. - М.: Недра, 1967. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
