Дрюк Андрей Анатольевич

  магистр горно-геологического факультета
Донецкого Национального Технического Университета

(ДонНТУ)

83000 Украина, Донецк, ул. Артема, 58

   Развитие угольной промышленности Донбасса вызывает необходимость в проходке большого числа вертикальных горных выработок (стволов, скважин) различного назначения, которые сооружают в основном буровзрывным способом с различной степенью механизации технологических процессов.

   Способ бурения при проходке вертикальных выработок впервые стал применяться в СССР с 1938 г. Первая советская установка для бурения скважины большого диаметра была разработана инженерами В. П. Ивановым и К. Н. Щепотьевым. В ней было использовано оборудование, применявшееся для бурения нефтяных скважин: мачта, лебедка, талевая система, ротор, насосы, а также стандартная колонна бурильных труб диаметром 168 мм. Устье скважины перекрывали специальной рамой. Рабочий орган установки состоял из трехшарошечного долота диаметром 600 мм и комплекта расширителей, которыми диаметр скважины последовательно увеличивался до 900; 1200; 1500; 1800; 2100 и 2400 мм. Общая масса рабочего органа составляла 22 т.

   Следующее поколение промышленных бурильных установок было создано только через 15 лет. В 1953-1955 гг. под руководством д-ра техн. наук Г. И. Маньковского на заводе "Уралмаш" была спроектирована и изготовлена установка роторного бурения УЗТМ-6,2. Примененные на этой установке роторный привод и эрлифтная промывка обеспечивали бурение стволов диаметром 3,6 и 6,2 м глубиной до 400 м в породах слабых и средней крепости.

   Примерно в это же время конструкторы ЦНИИ-подземмаша разработали установку кернового бурения УКБ-3,6, с помощью которой можно было бурить стволы диаметром 3,6 м, глубиной до 300 м с извлечением керна диаметром 3,08 м и высотой до 5 м в породах средней крепости и крепких. Инженеры Р. А. Иоаннсян, М. Т. Гусман, Г. И. Вулах предложили установку реактивно-турбинного бурения РТБ-2,07, в которой использовалось поверхностное оборудование обычной установки для бурения нефтяных скважин и специальный забойный агрегат, состоящий из трех турбобуров с долотами. Совершая планетарное движение, турбобуры разрушали породу по всей площади забоя. Эта установка бурила скважины диаметром 2,07 м глубиной 300 м в породах средней крепости и крепких.

   Установка УКБ-3,6 обеспечивала бурение стволов с высокими технико-экономическими показателями (ТЭП). С учетом положительного опыта эксплуатации установок УКБ-3,6 была спроектирована установка УКБ-5 для бурения стволов диаметром 5 м. К сожалению, недостаточный уровень развития машиностроительной базы в те годы не позволил обеспечить широкое использование установок такого типа, в связи с чем оригинальные, прогрессивные технические решения не были воплощены в металле. Замораживанию проектов с использованием установок УЗТМ, УКБ и других, менее известных, способствовало быстрое развитие способа реактивно-турбинного бурения. Основная причина такого успеха - применение серийного оборудования, которое изготавливали в больших количествах для бурения нефтяных скважин. Кроме того, в установках РТБ можно легко изменять диаметр забойного агрегата, что очень важно для технологии бурения. Расположение привода в забое создает благоприятные условия работы бурильной колонны, а сложное движение долот в сочетании с незначительными нагрузками обеспечивает лучшую, чем при роторном способе вертикальность сооружаемых скважин. В 1953 г. на вентиляционном шурфе шахты № 8-бис в Донбассе было проведено промышленное испытание первой установки РТБ, за 50 дней пробурено 17,5 м вертикальной выработки диаметром 2,07 м в породах с коэффициентом крепости f=10-12 по шкале проф. М. М. Протодьяконова.

   Сущность способа заключается в том, что разбуривание породы реактивно-турбинным буром производится жестко соединенными между собой параллельно работающими двумя, тремя или четырьмя турбобурами с навинченными на их валах долотами значительно меньшего диаметра, чем разбуриваемая площадь забоя. Валы турбобуров вращаются буровой жидкостью, подаваемой поршневыми или центробежными насосами. Мощность турбобуров зависит от напора и подачи насосов, пропускной способности нагнетательного трубопровода, диаметра бурильных труб и пропускных каналов траверсы. Кроме вращения вокруг своей оси жестко соединенные между собой турбобуры получают дополнительное движение вокруг вертикальной оси бура, теоретически совпадающей с осью выработки, благодаря чему шарошки долот соприкасаются с забоем одним венцом зубьев, вершины которых раньше всех встречают горизонтальную плоскость забоя. Это позволяет при ограниченном общем осевом усилии создавать контактные напряжения, значительно превышающие напряжения, достигаемые при самых форсированных режимах турбинного бурения обычных скважин; бурить вертикальные горные выработки большого диаметра в породах различной крепости, в том числе и крепких (8-10-й категорий крепости по буримости); получать высокую механическую скорость при ограниченном осевом усилии на каждое долото, что значительно увеличивает продолжительность работы опор шарошек. Вращение бура может осуществляться как за счет сил реакции забоя и пульпы, возникающих при работе турбобуров, так и за счет принудительного вращения его ротором буровой установки через колонну труб, на которой бур подвешен.

   В современной технологии реактивно-турбинного бурения (особенно выработок больших диаметров и глубин, а также в породах выше средней крепости) способ вращения бура ротором является основным. Вращение за счет сил реакции из-за отсутствия специальных долот осуществляется очень редко. Переход на вращение бура ротором способствовал значительному увеличению скорости бурения выработок.

   За 7 лет (1958 - 1965 гг.) способом РТБ было пробурено 84 скважины диаметром 0,7 -10 м максимальной глубиной 1405 м и 68 скважин диаметром 1-2,1 м глубиной 710 м.

   Вертикальные горные выработки, пробуренные РТБ, имеют минимальные отклонения от оси. Объясняется это в первую очередь сложным движением породоразрушающего инструмента, а также тем, что осевое усилие на долота не превышает 1/2- 1/3 массы бура. Опыт практики показывает, что с увеличение диаметра выработки угол отклонения ее от вертикали приближается к нулю.

   Высокую скорость проходки реактивно-турбинным способом можно получить при бурении выработок на форсированных режимах. Для этого необходимы следующие основные условия: достаточная забойная мощность; высокое качество изготовления и сборки всех конструктивных элементов бура; укомплектование бура турбобурами, обеспечивающими эффективную работу долот; использование типа долот в соответствии с их назначением, а также выбор оптимальной схемы расположения их на валах турбобуров; обеспечение устойчивости стенок независимо от горно-геологических условий бурения и диаметра выработки; правильный выбор частоты вращения бура и нагрузки на забой; использование буровой жидкости с такими параметрами, которые обеспечивают не только устойчивость стенок выработки и эффективную очистку забоя от выбуренной породы, но и продолжительную работу всех турбобуров с постоянными характеристиками.

   На практике, как правило, бурение ведется в условиях переслаивания пород различной крепости, трещиноватых с залеганием пластов от 5-10 до 60-70°, иногда при обрушении из стенок и попадании на забой кусков породы различных размеров и крепости с вышележащих горизонтов. Кроме того, невозможно подобрать все турбобуры с абсолютно одинаковой характеристикой.

   Для удовлетворения потребностей угольной промышленности в скважинах большого диаметра в 1966 г. был организован специализированный трест Спецшахтобурение. В его состав вошли шахтопроходческие управления, непосредственно занимающиеся сооружением скважин большого диаметра, и проектное бюро. Это позволило решать все вопросы - от проектирования скважины до ее сдачи в эксплуатацию в одной подрядной организации.

   С 1 января 1988 г. трест преобразован в специализированное проектношахтопроходческое объединение Спецшахтобурение, в состав которого, входят 4 Шахтопроходческих управления, ремонтно-механический завод, строительный участок и специализированное проектно-конструкторское технологическое бюро. За эти годы проходка скважин большого диаметра возросла с 3 до 8 тыс. м в год. Непрерывно продолжались работы по совершенствованию способа РТБ и расширению его возможностей.

   Были созданы буровые агрегаты диаметром 2,3; 2,6; 3,2; 4 и 5 м. На поверхности стали использовать более мощные насосы, современное оборудование, подобное тому, что применяется для бурения нефтяных скважин. Одновременно с увеличением диаметра бурения росли проблемы, лежащие в основе реактивно-турбинного способа: энергоемкость установок достигла 2,5 тыс. кВт; ухудшилась очистка забоя от выбуренной породы; возросли потери давления при подаче большого количества жидкости к агрегату; увеличилась доля непроизводительных затрат времени. Эти факторы ограничивали область эффективного применения бурения этим способом диаметром до 2,6 м в крепких породах и до 4м - в мягких породах.

   Для удовлетворения растущей потребности угольных шахт в скважинах большого диаметра в 1981 г. была закуплена первая установка роторного бурения с эрлифтной промывкой типа L-35 фирмы "Вирт". Она позволяла бурить скважины диаметром 4 м до глубины 700 м в породах средней крепости. Геологические условия Донбасса требуют, как правило, чтобы верхний участок выработки, примерно до 100 м, был закреплен кондуктором, а ниже кондуктора бурение продолжается меньшим диаметром. Это означало, что для установок L-35 основной диаметр бурения должен быть 3,2 м. Для расширения возможности установки в механических мастерских была изготовлена специальная приставка к долоту диаметром 4 м, позволяющая бурить верхний участок диаметром 4,7 м. Таким образом, стало возможным основную часть выработки бурить диаметром 4 м. Впоследствии, заказывая на фирме "Вирт" установку L-35M, бур диаметром 4,7 м уже был включен в комплект поставки. Но к этому буру таким же образом была изготовлена приставка диаметром 5,4 м, которой в феврале 1990 года на шахте имени Абакумова пробурили кондуктор до глубины 76 м. Причем этот ствол бурился установкой L-35, а не L-35M.

   При освоении установки были большие трудности. Пластичные глинистые породы превращали долото с шарошками в гладкий шар. Тогда впервые были опробованы полимерные растворы, уменьшающие образование сальников на шарошках, испытаны различные варианты "юбок", формирующих поток промывочной жидкости в забойной части ствола. В этот же период были созданы шарошки с пятью рядами зубьев, расположенных в шахматном порядке. Эти меры позволили уменьшить залипание бура.

   Самой сложной оказалась проблема, связанная с обеспечением стабильной вертикальности ствола, сооружаемого способом бурения. Были испытаны не менее десяти конструкций стабилизаторов. Число стабилизаторов на буре изменяли от двух до четырех, а затем остановились на одном. Но оказалось, что технология, отработанная на одном стволе, не давала такого же результата на другом. В основном поверхностное оборудование функционировало нормально, и только с тормозной системой были трудности. В каждой новой установке учитывался опыт работы предыдущих. В конструкции работающих установок также вносились изменения, повышающие их надежность и производительность.

   В 1985 г. фирме "Вирт" заказали три модернизированные буровые установки L-35M, в конструкции которых был учтен опыт эксплуатации в СССР семи установок первого поколения. В отличие от L-35 новые установки имели мачту и раму большего размера, гидравлическая станция размещалась в отдельном контейнере, на пульте управления были установлены дополнительные контрольно-измерительные приборы, позволяющие выбирать оптимальный режим работы установки и строго выдерживать технологические параметры. Многоканальный самописец постоянно регистрировал 14 наиболее важных характеристик. В желобе для промывочной жидкости был установлен металлодетектор, который сигнализировал о наличии в выходящем из ствола потоке жидкости металлических предметов (болты, обкрутившиеся гайки и т. п.). Своевременное предупреждение о появлении в промывочной жидкости металлических предметов не раз предотвращало серьезные аварии с буровым инструментом.

   Новая установка была укомплектована набором механизмов для спуско-подьемных операций и гидравлическим элеватором, который можно использовать благодаря второму опорному фланцу в верхней части бурильной трубы. Это позволило резко сократить продолжительность спуска и подъема бурового инструмента. Эксплуатация этих установок в течение 3 лет подтвердила правильность заложенных в конструкцию технических решений. Но требования наших заказчиков непрерывно возрастают, и с их учетом была спроектирована установка L-35MP. В отличие от предыдущих моделей она имеет увеличенный размер основания и портальную мачту, что позволяет разместить буровой орган диаметром до 6 м.

   Буровые установки L-40 и L-35 - наиболее современные и мощные из серии L. Установки L-40 известны в трех модификациях (табл. 1). В этих установках применены фланцевые бурильные трубы с внутренним диаметром 330 мм. Бурильные трубы выпускаются в двух модификациях по длине: 9000 и 4500 мм. Короткие трубы используются при наращивании буровой колонны (для ограничения величины h_д), а длинные - при монтаже колонны после замены или ревизии шарошек (для ускорения монтажно-демонтажных операций). Все поверхностное оборудование установок L-40 аналогично оборудованию установки L-35. Установки L-35 и L-40 сохраняют основные конструктивные признаки установок типа L, отличаясь главным образом количественными характеристиками. Установка состоит из транспортабельных блоков и узлов. Оборудование привода, буровая лебедка, вспомогательный компрессор, кабина управления смонтированы на трехосном прицепе на пневмоходу. Остальные блоки и узлы транспортируются трайлерами и грузовыми автомашинами. Максимальные транспортные размеры: длина 11,5 м, ширина 2,75 м, высота 3,75 м. Масса отдельных блоков не превышает 25 т.

   В подготовительный период сооружаются отстойники, планируется рабочая площадка, сооружается форшахта. Затем производится монтаж бурового оборудования. Над форшахтой устанавливается опорная рама. В горизонтальном положении из соответствующих составных частей (шарнирные опоры, труба нижняя, труба верхняя, оголовок, подкосы с гидроцилиндрами) собирается мачта и прочие узлы и детали, относящиеся к мачте, причем шарнирные опоры соединяются с опорной рамой. Затем при помощи автокрана мачта приводится в вертикальное положение. Гидравлические цилиндры подкосов шарнирно соединяются с рамой основания, далее с помощью этих гидроцилиндров мачта выставляется в рабочее положение. Затем прицеп с оборудованием привода и буровой лебедкой присоединяется к опорной раме, зачаливаются и навешиваются канаты талевой системы, буровой и вспомогательной лебедок, с помощью которых выполняются последующие монтажные операции.

   Гидродвигатели ротора соединяются гидрокоммуникациями с гидронасосами, установленными на прицепе, проверяется работа ротора, после чего он временно демонтируется (впредь до монтажа исполнительного органа). Соединение маслопроводных шлангов - клапанно-штекерное, вследствие чего при рассоединении шлангов масло из гидросистемы не вытекает. Монтируется желобная система к отстойникам, трубо- и электрокоммуникации. Параллельно с монтажом бурового оборудования готовится буровая жидкость, заполняются отстойники, устанавливаются и подсоединяются компрессоры эрлифта. В последнюю очередь монтируется исполнительный орган и компонуется низ буровой колонны. При этом ротор, имеющий проходное отверстие диаметром 2100 мм, из-под мачты убирается. Полная высота мачты установки L-40 (L-35) составляет 23 м; оборудование установки в рабочем положении занимает участок шириной 11 м длиной 21 м. Привод ротора буровой и вспомогательной лебедок осуществляется от двух пар электродвигателей и радиально-поршневых насосов, от которых питаются соответствующие гидродвигатели. Ротор снабжен четырьмя аксиально-поршневыми гидродвигателями A6V225 с планетарными редукторами (i=5,6), через которые вращается цилиндрическая шестерня стола ротора. Общее передаточное отношение iр=24,3. Частота вращения np и момент на столе ротора Мр регулируются подачей Q и давлением р гидравлической жидкости. При pmax=25 МПа Q=440 л/мин и мощность N=200 кВт. При включении четырех двигателей и неизменной подаче гидравлической жидкости частота вращения вдвое снижается, а момент удваивается. При моменте 210 кН*м (два двигателя) минимальная частота вращения стола ротора составляет 0,058 с-1, максимальная 0,117 с-1; при моменте 420 кН*м -соответственно 0,146 и 0,292 с-1. Максимальное статическое усилие на стол ротора составляет 5 МН.

   Буровая лебедка, приводимая от тех же двигателей, что и ротор, снабжена коробкой передач на пять скоростей, создает натяжение каната до 320 кН и скорость наматывания до 6,6 м/с . Вспомогательная лебедка имеет две скорости, натяжение каната до" 98 кН и скорость до 1,7 м/с . Максимальная статическая грузоподъемность установок L-40 и L-35 составляет соответственно 400 и 340 т при коэффициенте динамичности 1,25. Установка L-35 рассчитана на бурение максимальным диаметром 3950 мм до глубины 700 м (при меньшем диаметре максимальная глубина бурения соответственно увеличивается).

   Установки L-40 и L-35 снабжены двумя винтовыми компрессорами фирмы "Бауэр", обеспечивающими работу эрлифта. Каждый компрессор может быть смонтирован на отдельном двухосном прицепе. Установка L-35 снабжена компрессорами с подачей воздуха 24 м3/мин и давлением 1,3 МПа, мощность двигателя 206 кВт. При оптимальном режиме работы эрлифт рассчитан на производительность 920 м3/ч. Компрессор для установки L-40 рассчитан на давление 2 МПа.

   Суммарная электрическая мощность оборудования на установках L-35 и L-40 составляет 800 кВ *А. Пульт управления процессом бурения и рабочее место оператора расположены в закрытой застекленной кабине, смонтированной на шасси установки, рядом с основным оборудованием. В процессе бурения оператор регулирует осевое усилие, момент и частоту вращения ротора, давление воздуха в эрлифте.

   Установка L-35 снабжается роторно-лобовыми исполнительными органами сплошного бурения (долотами) диаметром 2600; 3200 и 3950 мм. Число шарошек на каждом исполнительном органе соответственно 17; 22 и 26. Шарошкам придается зубчатое или штыревое вооружение в зависимости от крепости пород.

   Оборудование установок L-35 и L-40 позволяет выполнять все прочие технологические операции по сооружению ствола: монтаж и спуск крепи, тампонаж закрепного пространства, откачку ствола и его осмотр. Откачка выполняется желонкой с помощью специальной лебедки, канатоемкость которой соответствует глубине ствола. Осмотр ствола и ремонтные работы производятся из клети, опускаемой на канате.

   Максимальный диаметр выработки, достигнутый с применением установок типа L, составляет 8,5 м (по данным фирмы "Вирт").

   Рассмотрим более подробно примеры сооружения скважин большого диаметра с использованием установок РТБ и шахтных стволов с использованием установок L-35 фирмы "Вирт" на следующих примерах: скважина диаметром 1,3 м глубиной 1030 м на шахте имени Баженова объединения Макеевуголь предназначена для размещения в ней 5 трубопроводов диаметром 324 мм для подачи в шахту хладоносителя, обеспечивающей работу установки кондиционирования воздуха. Скважина сооружалась Торезским шахтопроходческим управлением объединения Спецшахтобурение в 1998-1989 гг.

   Каменноугольные отложения в геологическом разрезе были представлены часто чередующимися слоями песчаников прочностью 72-92 МПа, известняков прочностью 86-88 МПа, аргиллитов прочностью 28-39 МПа, алевролитов прочностью 42-62 МПа. Бурение осложнялось тем, что на глубине 145 и 192 м находились старые горные выработки, по которым могла уйти промывочная жидкость, что привело бы к обрушению стенок скважины. Буровую установку РТБ смонтировали за 2 мес. Для бурения применили забойные агрегаты РТБ четырех различных диаметров, в качестве промывочной жидкости - глинистый раствор. Всего было использовано 363 стандартных долота диаметром 490 мм, в том числе 235 долот при бурении основной части скважины. На бурение было затрачено 8,13 мес., из них на основную часть - 6,2 мес., Средняя механическая скорость составила 0,45 м/ч. Средняя техническая скорость - 130,3 м/мес. Не производительные затраты времени при бурении составили 80 смен (поломка Долот - 44 смены, не своевременная доставка материалов 26 смен, праздничные дни- 10 смен.) После бурения каждого интервала скважины крепили гладкой оболочкой из стали толщиной 16 мм. Отдельные кольца крепи соединяли между собой ручной электросваркой. После спуска оболочки в скважину зазор между стенкой скважины и крепью заполняли цементно-песчаным раствором, подаваемым с поверхности по трубам диаметром 60 мм. По окончании бурения в скважину были опущены 5 трубопроводов диаметром 324 мм. Трубы между собой соединяли с помощью автоматической установки К-58Г/М контактной электросварки, разработанной институтом электросварки имени Патона. На все операции по креплению было затрачено 12 смен. Непроизводительных затрат времени не было. После спуска трубопроводов свободное пространство в скважине заполнили цементно-песчаным раствором, а промывочную жидкость из трубопроводов откачали, на что потребовалось еще 90 смен. Весь проектный объем работ сметной стоимостью 1,53 млн. руб. был выполнен за 16 мес.

   Ствол диаметром 3,5 м в свету глубиной 570 м на шахте "Новгородская" объединения Селидовуголь предназначен для улучшения проветривания горных выработок. Ствол сооружался Донецким шахтопроходческим управлением объединения Спецшахтобурение в 1986-1988 гг. Каменноугольные отложения в геологическом разрезе представлены часто чередующимися слоями алевролитов прочностью 34,5 МПа, аргиллитов прочностью 26,2 МПа, песчаников прочностью 81,3 МПа, известняков прочностью 109,3 МПа. Глинистые породы склонны к образованию "сальников" на буре, в связи с чем в качестве промывочной жидкости применяли полимербентонитовый раствор. Для бурения ствола использовали установку L-35M фирмы "Вирт". До начала монтажа оборудования к стройплощадке была проложена дорога, сооружены отстойники, пройдена форшахта, построено здание для размещения буровой бригады. Установку смонтировали за 14 дней. Кондуктор диаметром 4,7 м пробурили за 92 смены, из которых на собственно бурение ушло 64 смены. Средняя механическая скорость бурения составила 0,17 м/ч, техническая - 77,5 м/мес. Основную часть ствола пробурили за 1029 смен, средняя механическая скорость составила 0,14 м/ч, техническая - 45,2 м/мес.

   Кондукторный участок ствола закрепляли оболочками из стали толщиной 16 мм. Для увеличения жесткости оболочки имели наружные бандажи из листовой стили размером 300X20 мм. Масса крепи кондуктора - 215 т. Ее монтаж занял 32 смены. Зазор между крепью и стенкой ствола заполнили цементно-песчаным раствором за 198 смен.

   Основную часть ствола закрепили оболочками из стали толщиной 16 мм, которые имели наружные бандажи из швеллера № 14 и № 16, установленные с шагом 0,75 и 1 м. Эту крепь массой 930 т опускали в ствол четырьмя отдельными секциями. Каждую секцию массой 240-250 т опускали до проектной глубины на колонне бурильных труб с помощью специального захватывающего устройства, которое извлекали на поверхность после заполнения зазора между стенкой ствола и крепью цементно-песчаным раствором. Для обеспечения соостности секций крепи при стыковке и герметизации стыка между секциями нижние участки секции имели бетонные конические стыковочные элементы, которые по окончании крепления всего ствола разбуривались. На монтаж и спуск секций крепи было затрачено 147 смен, на тампонаж- 345 смен. Всего было закачано 3482 м3 тампонажного раствора. Проектный объем работ сметной стоимостью 3,1 млн. руб. был выполнен за 18 мес, при этом коммерческая скорость сооружения ствола составила 31,7 м/мес.

   Выработки проходят в самых разнообразных горно-геологических условиях: от мягких, обводненных пород и плывунов до крепких, нередко трещиноватых, с крутым залеганием пластов в стесненных условиях поверхности, в местах со сложным рельефом местности. За последние годы бурение стволов и скважин. большого диаметра осуществляется также через погашенные, т.е., отработанные горизонты, в неустойчивом породном массиве, вблизи действующих горных выработок, в условиях повышенного водопритока и газопроявления, в вечной мерзлоте и песках. Дальнейшее его развитие зависит от решения многих технических и организационных вопросов.