Угольные бассейны, расположенные в северной части штата Западная Вирджиния , штатах Пенсильвания, Огайо, и Кентукки содержат миллионы тонн высококачественного каменного угля. Большая часть угольных стволов залегает на глубине 200-300 метров. Уголь содержит в больших количествах газ метан. Разработка этих угольных месторождений длинными очистными забоями приводит к выделению значительного количества этого газа. В этих случаях возникают серьезные проблемы с вентиляцией.

В настоящее время ширится применение такого способа дополнительной вентиляции как использование стволов диаметром 2-3 м, закрепленных стальными трубами, с применением центробежных вентиляторов, нагнетающих воздух в подземные выработки под большим давлением. При использовании такого ствола единственным способом добычи полезного ископаемого является разработка месторождения лавами, в результате чего происходит значительная экономия времени.

При разработке угольного месторождения лавами через ствол осуществляется выпуск воздуха, использованного для проветривания лавы. Когда очистные забои полностью отработаны, вентиляционные штреки осушаются, что ведет к необходимости увеличения производительности вентиляторов. При работе лопасти центробежного насоса могут быть установлены на более высокое давление и производительность, что увеличивает безопасность , вследствие снижения времени простоя вентилятора

Систему вентиляции, используемую для проветривания лавы можно представить в виде сочетания штреков, воздуховыдающих стволов и вентиляторов, используемых для вывода метана из зон очистной выемки. Те участки, где была произведена очистная выемка, называются выработанным пространством. Свежий воздух проходит через выработанное пространство для снижения концентраций метана или его вывода на поверхность. До того, как начали использовать воздуховыводящие стволы, загрязненный воздух выводился через главные штреки и перемещался иногда на расстояния, исчисляемые милями, к главному шахтном вентилятору.

В целом, проходка воздуховыдающих штреков осуществляется до начала проведения очистной выемки. Такие штреки сооружаются по периметру выработанного пространства. Свежий воздух подается в выработанное пространство очистных забоев и проходит через щиты. На отрезке со столбовой системой разработки свежий воздух входит в выработанное пространство через завесы, натянутые по линии столбов.

В обоих случаях воздушная струя пересекает выработанное пространство и движется к регуляторам, расположенным в перемычках сооруженных между воздуховыдающими штреками и выработанным пространством. Регуляторы обеспечивают контроль за равномерностью прохождения воздушной струи через выработанное пространство. Загрязненный воздух проходит через воздуховыдающие штреки, затем подается в главные штреки и выводится у устья.

Если система воздуховыдающих стволов приходит в негодность, в выработанном пространстве может возникнуть опасный уровень концентрации газа метана. Обычно это не вызывает особых проблем , за исключением тех случаев, когда изменяется барометрическое давление или есть повреждение в системе вентиляции, останавливается вентилятор, обрушение кровли перекрывает жизненно важный штрек или поврежденная-перемычка является причиной сокращения циркуляции воздуха. При возникновении одной из подобных ситуаций скопившийся метан проникает в зону забоя, в результате чего жизнь шахтеров подвергается серьезной опасности.

Воздуховыдающие стволы вместе с соответствующим вентилятором создают необходимое давление в зонах выработанного пространства для эффективной вентиляции тех участков, где была проведена очистная выемка. Кроме того, воздуховыдающие стволы обеспечивают эффективность вентиляционной системы благодаря тому факту, что при их использовании отпадает необходимость в выводе струи исходящего воздуха через главные и вспомогательные штреки. Воздушная струя, содержащая метан, выводится через воздуховыдающий ствол. Воздух проходит через ствол благодаря вентилятору, расположенному на поверхности. В этом случае центробежный вентилятор нашел свое новое применение. Такие вентиляторы создают высокое давление и низкую производительность и обеспечивают меньший уровень шума, чем осевые вентиляторы.

Метод механической проходки шахтных стволов с поверхности доказал, что он является выгодной альтернативой дорогостоящему обычному буровзрывному методу проходки. Бурение ствола и его крепление осуществляется до того , как к нему будет подведена подземная выработка. В ходе дальнейшего производства горнорудных работ подземная выработка пересекает сооруженный ствол. Иногда одного вентиляционного ствола бывает достаточно для проветривания четырех очистных забоев. Проходка вентиляционного ствола методом бурения снизу вверх (рейз-боринг ) применяется редко, так как для размещения инструмента и удаления отбуренного шлама обязательно наличие подземной горной выработки. Поэтому для сооружения вентиляционных стволов используется метод механической проходки шахтных стволов с поверхности, который после соединения с подземной выработкой позволяет эффективно осуществлять проветривание очистных забоев.

Большинство пробуренных стволов крепятся стальными трубами на всю глубину ствола, от поверхности до шахтной выработки, пересекающей ствол. Используемые для крепления трубы, рассчитанные на гидростатическую нагрузку, после спуска в ствол цементируются. В результате этого фактически исчезает необходимость в обслуживании ствола на период эксплуатации шахты. Такой необходимости в обслуживании ствола и не должно возникать, так как ствол, по причине разрушения вентиляционных штреков, становится недоступным со дна вскоре после того, как начинается разработка месторождения лавами. Поэтому водопритоки или другие осложнения, связанные с крепью, должны быть исключены в течение всего периода эксплуатации ствола.

Для угольных шахт восточной части США "Зени Дриллинг Компани" были пробурены вентиляционные стволы общей глубиной в несколько миль. Большинство из них имеют диаметр 1,8 м в свету. При сооружении стволов для удаления отбуренного шлама используется обратная циркуляция промывочной жидкости. В состав утяжеленного низа входят заполненные свинцом утяжелители общим весом до 100 тонн. Долота оснащены дисковыми шарошками, и утяжеленный низ стабилизируется в верхней части с помощью невращающегося стабилизатора, а в нижней части – с помощью вращающегося направляющего наконечника, входящего в пилот-скважину.

"Зени Дриллинг" использует пилот-скважину почти исключительно при бурении шахтных стволов для угольных шахт. Сооружение пилот-скважины преследует несколько целей: во-первых, она может быть пробурена с наименьшим искривлением и проконтролирована для большей вертикальности будущего ствола, во-вторых, она используется для стабилизации утяжеленного низа при бурении ствола. Кроме того, вес утяжеленного низа используется в данном случае исключительно для нагрузки на долото, а не для маятникового эффекта.

Наличие пилот-скважины способствует увеличению скорости проходки ствола за счет размещения всасывающего отверстия в самой нижней точке наконечника. Вследствие того, что шлам поднимается из самой нижней точки профиля забоя, повторного измельчения не происходит.

Требуется, по меньшей мере, две недели для проходки пилот-скважины и, по мнению некоторых специалистов, это является лишь тратой времени. В некоторых случаях, возможно, это так. Но что касается бурения стволов для угольных шахт восточной части США, то, как известно из практики, наличие пилот-скважины всегда увеличивает скорость проходки сооружаемого ствола. Кроме того, пилот-скважина в значительной степени позволяет сохранить вертикальность ствола и добиться экономии времени.

Крепление пробуренных стволов осуществляется с помощью обсадных труб, рассчитанных на гидростатическую нагрузку. По мере увеличения глубины ствола гидростатическая прочность достигается путем увеличения толщины трубных стенок и использованием цельных бандажей, расположенных на внешней стороне обсадной колонны на определенном расстоянии друг от друга, с целью увеличения жесткости колонны. "Зени Дриллинг Компани" осуществляет проектирование и производство обсадных колонн полностью собственными силами, а также располагает средствами для для обработки металла (холодная обработка давлением, резка металла, автоматическая сварка). Производство обсадных колонн осуществляется на заводе фирмы в Моргантауне.

В данном материале содержатся сведения о проходке пяти вентиляционных стволов в северной части штата Западная Вирджиния. Диаметр четырех стволов составляет 1,8 м в свету, а диаметр пятого — 2,4 м в свету. Все стволы будут крепиться стальными трубами, рассчитанными на гидростатическую нагрузку. Глубина стволов колеблется от 229 м до 286 м. Как правило, вес обсадной колонны при спуске ее с помощью буровой установки в пробуренный ствол составляет более 270000 кг. Обсадная колонна опускается на плаву в ствол, заполненный буровым раствором. В нижней части обсадной колонны находится съемное дно. При наращивании обсадной колонны уровень воды внутри нее сохраняется на более низкой отметке по сравнению с уровнем бурового раствора в стволе. При спуске обсадной колонны на плаву дифференциальное давление оказывает воздействие на съемное дно. Таким образом, путем изменения уровня воды внутри обсадной колонны может быть установлена необходимая нагрузка на крюк буровой установки. Однако для того, чтобы осуществить спуск на плаву, обсадная колонна должна быть способной выдержать дифференциальное давление, создаваемое буровым раствором в пробуренном стволе. Это давление может быть еще выше уже в период эксплуатации вентиляционного ствола. Установка обсадной колонны на плаву является своего рода проверкой системы крепления на прочность.

Когда обсадная колонна устанавливается на верхнюю часть угольного пласта, она тампонируется чистым цементом. Цемент закачивается в эатрубное / пространство под большим давлением с помощью насосов. Затрубное пространство между обсадной колонной и породой полностью цементируется. После осушения сооруженного ствола под нижнюю часть обсадной колонны подводится шахтная выработка и удаляются болты, с помощью которых крепится съемное дно. После удаления съемного дна ствол, считается, готов для использования.

Недавно в штате Пенсильвания для крупной шахты, расположенной неподалеку от Моргантауна, было завершено сооружение вентиляционного ствола диаметром 2,4 м в свету. При бурении для установки обсадных труб диаметром 2,4 м диаметр ствола вчерне составил 2,9 м. Глубина ствола составила 229 м; Ствол был закреплен на всю глубину стальными трубами. Сооружение ствола было осуществлено методом бурения стволов с поверхности, а крепление и цементация пробуренного ствола производились так, как это было описано выше. В данном случае была использована пилот-скважина, на проходку которой понадобилось приблизительно 2,5 недели. При бурении пилот-скважины наблюдалась потеря части бурового раствора, вследствие чего перед проходкой ствола были предприняты дополнительные меры по цементации зоны потери. Это демонстрирует еще одно преимущество использования пилот-скважины, когда зона потери бурового раствора может быть точно определена и соответствующие меры могут быть приняты именно в тот момент, когда это еще можно относительно легко сделать.

Процесс бурения ствола занял немногим более пяти недель. В среднем коммерческая скорость проходки ствола составляла примерно 9,1 м в сутки или 0,38 м в час с учетом времени простоя, спуско-подъемных операций и т.д. Механическая скорость бурения ствола равнялась приблизительно 0,73 м в час. Обсадка ствола заняла менее двух недель. Используемые в данном случае обсадные трубы диаметром 2,4 м требовали гораздо большего количества времени для сварочных работ, чем стандартные обсадные трубы диаметром 1,8 м. Колонна обсадных труб была установлена на плаву с помощью буровой установки, позволяющей удерживать не более 90700 кг из общего веса 335600,кг. Таким образом, в результате спуска на плаву компенсировался вес обсадной колонны в 245000 кг. Цементирование обсадной колонны продолжалось около недели. Вследствие ограниченных запасов воды и проблем с транспортировкой цемента, цементирование было осуществлено в пять отдельных этапов. В общей сложности более 481 кубического метра цементного раствора было закачано в затрубное пространство между обсадной колонной и породой.

При креплении и цементировании буровой раствор был вытеснен из ствола и очищен. Когда колонна обсадных труб была опущена в ствол, весь буровой раствор находился в отстойнике, откуда он был выпущен после очистки. Для заполнения колонны во время спуска использовалась чистая вода, не требующая очистки в процессе осушения ствола. Оставшаяся в затрубном пространстве вода была вытеснена цементом и очищена в процессе цементации. Этот процесс позволяет производить очистку воды одновременно с обсадкой и цементацией, поэтому в данном случае не было необходимости в больших объемах воды, и по окончании сооружения ствола вода была практически чистой. Окончательное осушение колонны обсадных труб было осуществлено желонкой. Под дно ствола с помощью проходческого комбайна была подведена горная выработка и установлен вентилятор.

В целом, на сооружение этого ствола было потрачено 14 недель. Работы по бурению и креплению ствола велись круглосуточно в течение 5 или 6 дней в неделю, а при производстве подготовительных работ и монтаже буртовой установки использовался режим работы в одну смену .

Назначение пробуренных стволов не ограничивается только выпуском воздуха, использованного для проветривания лавы. Стволы, сооруженные с поверхности, могут использоваться еще и в качестве воздухоподающих и аварийных стволов. Так, при вскрытии горнорудной компанией угольного месторождения ствол диаметром 2,3 м, пройденный в крепких породах, заменил один из штреков. Этот ствол был использован в качестве воздухоподающего и аварийного. Его сооружение привело к экономии средств и времени, что, в конечном итоге, позволило приступить к разработке угольного месторождения ранее намеченного срока.