Обґрунтування параметрів сталевого кріплення при бурінні шахтних вертикальних стволів

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ЦАРЕНКО Сергій Миколайович

УДК 622.245.12

ОБГРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ СТАЛЕВОГО КРІПЛЕННЯ ПРИ БУРІННІ ШАХТНИХ ВЕРТИКАЛЬНИХ СТВОЛІВ

Спеціальність 05.15.04 - „Шахтне та підземне будівництво”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі вищої математики Донецького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Улітін Геннадій Михайлович, завідувач кафедри вищої математики Донецького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Левіт Віктор Володимирович, генеральний директор ДХК «Спецшахтобуріння» Міністерства вугільної промисловості України (м. Донецьк); кандидат технічних наук, доцент Бровко Дмитро Вікторович, доцент кафедри будівельних геотехнологій Криворізького технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Захист відбудеться « 13 » червня 2008 р. о 12.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.04 при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України (49005, м. Дніпропетровськ, пр. К. Маркса, 19, т. 47-24-11).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (49005, м. Дніпропетровськ, пр. К. Маркса, 19).

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

сталеве кріплення колона проектування

Актуальність теми. Буріння стволів є надійним та ефективним способом будівництва вертикальних гірничих виробок у самих різних гірничо-геологічних умовах. Основним фактором стримуючим широке застосування цієї технології в умовах України, є висока вартість робіт, яка сумірна зі спеціальними способами проходки стволів.

На даний час у вітчизняній практиці та інших країнах СНД для кріплення стволів і свердловин великого діаметра застосовують, в основному, сталеві секційні кріплення, що відрізняються високою металоємністю і вартістю. Такий вибір конструкції зумовлений високою універсальністю застосування її в різних гірничо-геологічних умовах. Застосування інших видів кріплення носить епізодичний характер.

Розрахунку обсадних труб на міцність і стійкість присвячена низка теоретичних і експериментальних робіт, де запропоновані аналітичні, напівемпіричні та емпіричні залежності. Проте, більшість цих методів не знайшли застосування при проектуванні сталевих кріплень великого діаметра (понад 2 м), що пов'язано із специфікою їх роботи і конструкції. У зв'язку з цим, внаслідок не обґрунтованого теоретичними розрахунками конструювання обсадних труб, не рідкісні випадки руйнування окремих вузлів обсадних колон або втрата стійкості окремих участків трубного ставу в період монтажу або експлуатації.

Аналіз структури витрат вартості, трудомісткості і тривалості буріння свердловин великого діаметра за традиційною технологією з кріпленням сталевою колоною показав, що до 30…40% їх приходиться на процеси, пов'язані з кріпленням. Тому удосконалення конструкції і технології кріплення стволів, за рахунок розробки нових методик розрахунку і проектування обсадних труб на основі методів теорії пружності і будівельної механіки, є актуальним науково-технічним завданням.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до плану НДР ДонНТУ за науковим напрямом кафедри вищої математики в рамках університетської теми Н-12-05 «Використання математичних методів до рішення наукових, інженерних і соціально-економічних завдань» в якій автор був виконавцем.

Мета роботи полягає в теоретичному обґрунтуванні параметрів сталевого кріплення, які забезпечують підвищення техніко-економічної ефективності спорудження шахтних вертикальних стволів, пройдених бурінням.

Для досягнення мети поставленні та вирішені наступні задачі:

1. Дослідити напружено-деформований стан (НДС) обсадної колони в умовах проведення монтажних робіт.

2. Встановити залежності впливу основних конструктивних елементів на НДС сталевого кріплення.

3. Дослідити ступінь впливу особливостей конструкції обсадних труб на їх стійкість.

4. Розробити методику визначення раціональних параметрів колони для її проектування і обґрунтувати вибір способу і технологічні регламенти монтажу кріплення.

Ідея роботи полягає у використанні залежностей напружено-деформованого стану обсадної труби для обґрунтування раціональних параметрів вибору конструктивних елементів сталевого кріплення при будівництві шахтних вертикальних стволів.

Об'єкт досліджень - напружено-деформований стан і стійкість обсадної колони при зведенні кріплення шахтних вертикальних стволів.

Предмет досліджень - параметри обсадної сталевої обсадної колони для кріплення шахтних вертикальних стволів і свердловин великого діаметра.

Методи досліджень. У роботі використані математичні моделі напружено-деформованого стану колони з урахуванням досвіду спорудження свердловин великого діаметра на базі теорії тонкостінних оболонок з метою обґрунтування вибору раціональних параметрів конструкції сталевого кріплення і технології його зведення; вивчення стійкості обсадної колони, як циліндричної оболонки з урахуванням різних граничних умов.

Наукові положення, що виносяться на захист:

- напружено-деформований стан обсадної труби при дії зовнішнього гідростатичного тиску в зоні стикування шпангоутів з оболонкою описується швидкозгасаючими функціями, які характеризують крайовий ефект впливу ребер, коефіцієнт концентрації напружень може сягати 2 і залежить від співвідношення товщини оболонки і жорсткості ребра, що дозволяє визначити раціональну величину кроку шпангоутів порядку 20-40 товщин стінки труби;

- симетричні початкові відхилення від круглості сталевої труби (овальність, трикутна огранка) в залежності від співвідношення початкової форми з розрахунковою призводять у разі збігу форм до зниження критичного тиску при втраті стійкості до 30%, що слід враховувати при визначенні коефіцієнта запасу стійкості, який повинен складати не менш 1,3.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Вперше була врахована і отримана залежність впливу навантажень на деформацію верхнього торця труби обсадної колони в умовах виконання монтажних робіт при посадці її на монтажну балку.

2. Запропонована і реалізована нова математична модель круглого пружного плоского днища з радіальними ребрами, що дозволяє, у відмінності від існуючих інженерних методик розрахунку, враховувати концентрацію напружень в пластині в зоні її стикування з ребрами.

3. Отримані нові залежності визначення ефективної величини жорсткості силових шпангоутів при довільному їх числі, з урахуванням специфіки конструкції і роботи обсадної колони.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується:

- використанням класичних методів теорії тонкостінних оболонок, порівнянням аналітичних результатів з результатами, отриманими чисельним методом (метод скінченних елементів) розходження складає не більш 20%;

- позитивними результатами впровадження основних положень дисертаційної роботи при зведенні кріплення стволів ДВАТ «Донецьке ШПУ по бурінню стволів і свердловин».

Наукове значення роботи полягає в розробці методами теорії пружності і будівельної механіки нового способу розрахунку НДС обсадних труб, що враховує спільність деформацій оболонки з торцевим диском днища та кільцевими і повздовжніми ребрами жорсткості, отримані нові залежності визначення ефективної величини жорсткості силових шпангоутів при довільному їх числі, з урахуванням специфіки конструкції та роботи обсадної колони.

Практичне значення роботи.

1. Розроблена методика визначення раціональних параметрів конструкції, при проведенні проектного розрахунку, і допоміжних елементів (сталеве днище, з'ємний бандаж) сталевої обсадної колони для кріплення шахтних вертикальних стволів;

2. Розроблені технологічні регламенти проведення монтажних робіт при зведенні кріплення свердловин великого діаметра сталевою обсадною колоною.

Реалізація висновків і рекомендацій роботи. Дослідно-промислова перевірка основних положень дисертації проводилася при проектуванні конструкцій секцій сталевого кріплення та вибору технологічних регламентів їх монтажу при будівництві вентиляційного ствола на ДП «Селідоввугілля» шахта «Україна».

Особистий внесок здобувача Автором самостійно сформульовані ціль і завдання дослідження, наукові положення, виводи і рекомендації з роботи. Авторові належить дослідження напружено-деформованого стану і стійкості обсадної колони як циліндрової оболонки і аналіз отриманих результатів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи докладалися на: IV Міжнародній конференції «Буріння свердловин в ускладнених умовах» (м. Донецьк, 2006 р.); Міжнародній науково-практичній конференції «Форум гірників - 2007» (м. Дніпропетровськ, 2007 р.).

Публікації. За результатами виконаних в дисертації досліджень опубліковані 5 наукових праць, у тому числі 4 у фахових спеціалізованих виданнях, затверджених ВАК України, 1 - у збірниках матеріалів конференцій.

Структура і об'єм дисертації. Дисертація містить вступ, 5 розділів, висновки, список використаних джерел з 88 найменувань на 8 сторінках і 8 додатків. Загальний обсяг дисертації 158 сторінок, зокрема 118 сторінок основного тексту, 50 рисунків і 3 таблиці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ містить загальну характеристику роботи. Обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, наведені новизна і практичне значення отриманих результатів, вказаний особистий внесок автора в роботу, сформульовані мета і задачі досліджень.

У першому розділі проаналізований стан питання проходки вертикальних гірничих виробок бурінням, їх кріплення і існуючі методи розрахунку сталевого кріплення.

У практиці вітчизняного шахтного будівництва значний внесок в дослідження процесів буріння та кріплення стволів і свердловин великого діаметра внесений науково-дослідними, проектно-конструкторськими і навчальними організаціями: ВАТ НПО „Бурова техніка” (м. Москва, Росія), УкрНДІОМШБ (м. Харків, Україна), ВНДІПромтехнологія (м. Москва, Росія), Інститут гірничої справи ім. А.А. Скочинського (м. Люберці, Росія), ДІОС (Донецьк, Україна), ВАТ „Півддипрошахт” (м. Харків, Україна), КузНДІшахтобуд (м. Кємєрово, Росія), МДГУ (Москва, Росія), РосДГУ (м. Москва, Росія), НГУ (м. Дніпропетровськ, Україна), ВАТ „Уралмашзавод” (м. Єкатеринбург, Росія), ВАТ „Трест Шахтоспецбуд” (м. Солігорськ, Білорусь), ДХК «Спецшахтобуріння» (м. Донецьк, Україна) та ін. Ними створені комплекси бурового обладнання, технологічні схеми ведення робіт, методичні основи розрахунку кріплення, необхідний комплекс нормативної документації.

Основу сучасної школи буріння свердловин великого діаметра складають роботи провідних вітчизняних інженерів і вчених: Маньковського Г.І., Федюкіна В.А., Купчинського І.Л., Качана В.Г., Булаха Г.І., Левіта В.В., Жиленка Н.П., Краснощека О.А., Литинського Ю.В., Агаркова А.К., Астраханя А.П., Ерофеєва Л.М., Маліованова Д.І.; і зарубіжних фахівців: Брюммера К.Х., Резнера Е., Лешхорна Ф., Хеннеке Й., Мюллера Р., Тоншайдта Г.В.

Завдяки проведеним дослідженням і накопиченому практичному досвіду спорудження стволів та свердловин, буріння широко і з високою ефективністю впроваджувалося в гірничодобувну промисловість. Не дивлячись на це простежується тривалий застій в динаміці розвитку техніко-економічних показників будівництва стволів і свердловин великого діаметра, не спостерігається розвиток і вдосконалення технологічних схем ведення робіт і конструкцій кріплення, не відбувається модернізація обладнання, що суперечить тенденції розвитку шахтного будівництва в світових гірничодобувних країнах. При всьому цьому визначається перспективний напрямок розвитку технології буріння стволів великого діаметра, який полягає в просторовому і часовому поєднанні технологій буріння і буропідривних робіт.

Найбільше розповсюдження при кріпленні стволів і свердловин великого діаметра в умовах Донбасу отримали сталеві секційні кріплення, що зумовлене високою універсальністю застосування їх в різних гірничо-геологічних умовах. Використання інших видів кріплення носить епізодичний характер.

Дослідженням міцності і стійкості сталевих обсадних колон присвячені роботи: Яковлева Ф.І., Гайворонського А.А., Булгакова Б.В., Саркісова Г.М., Буличєва Н.С., Еременко Т.Е., Добровольського Г.Б., Мочернюка Д.Ю. та ін.

Більшість існуючих методів розрахунку обсадних труб не знайшли застосування при проектуванні сталевого кріплення великого діаметра (понад 2 м), що пов'язане зі специфікою їх роботи і конструкції. У зв'язку з чим унаслідок не обґрунтованого теоретичними розрахунками конструювання кріплення не рідкісні випадки руйнування окремих вузлів обсадних колон або втрати стійкості окремих участків трубного ставу в період монтажу або експлуатації.

Проблеми пов'язані з кріпленням стволів і свердловин пройдених бурінням є вельми істотними, оскільки 30…40% від витрат вартості, трудомісткості і робочого часу на споруду свердловин великого діаметра доводиться на процеси, пов'язані з кріпленням. При збільшенні глибини та діаметру свердловин частка цих витрат значно зростає.

Виходячи з перспективи буріння стволів великого діаметра і практичної відсутності альтернативи кріпленню сталевим кріпленням в складних гірничо-геологічних умовах, було поставлено завдання дослідити напружено-деформований стан колон з метою теоретичного обґрунтування вибору раціональних параметрів конструктивних елементів обсадних труб.

У другому розділі розглянутий вплив монтажних навантажень на напружено-деформований стан (НДС) колони.

Проведення монтажних робіт є однією з найбільш складних і трудомістких операцій зведення кріплення. При цьому в секціях обсадної колони прорізають монтажні вікна. При дії на вікна реакцій від підйомного пристрою або монтажної балки (рис. 1), викликаних вагою колони, виникає значна деформація труби в околицях вікна, а також руйнування матеріалу колони, що призводить до поломок і аварій в процесі спуску.

Існуюча технологія кріплення стволів і свердловин великого діаметра при виборі деяких конструктивних і технологічних параметрів не враховує низку чинників. Такими чинниками є:

1. Деформації верхнього торця труби, які заважають стикування з іншими секціями;

2. Деформації і напруження в монтажних вікнах.

Провівши аналіз впливу низки параметрів на величину деформації верхнього торця труби, з використанням напівбезмоментної теорії розрахунку оболонок, були отримані формули для визначення радіального і осьового переміщень:

; (1)

, (2)

де - реакція від монтажної балки, викликаної вагою колони, Н; - радіус труби, м; - модуль пружності матеріалу колони, Па; - товщина стінки труби, м; - осьовий момент інерції шпангоута, м⁴;

.

Аналіз величини деформацій для різних конструктивних параметрів колони показав, що значними є радіальні переміщення, які можуть перевищувати виробничий допуск на виготовлення секцій труб. Таким чином, при виборі порядку секцій при селективному методі зборки колони, слід враховувати монтажні деформації за формулами.

Величина і характер розподілу напружень навколо монтажних вікон залежить від їх кількості, розмірів і форми. Залежно від геометрії монтажного вікна в колоні і підйомного пристрою.

Перша схема визначає зосереджене навантаження і є спрощеною. Друга схема - рівномірний розподіл навантаження, відповідає взаємодії прямокутної монтажної балки з прямокутним вікном. Третя схема - нерівномірний розподіл навантаження, відповідає варіантам, в яких причіпний пристрій або монтажна балка взаємодіє з вікном з утворенням плями контакту, при якому максимальне зусилля доводиться на середину, а до краю убуває.

Розкладаючи навантаження в ряди Фур'є з використанням напівбезмоментної теорії розрахунку оболонок, були отримані вирази для внутрішніх силових факторів, що виникають в трубі від дії монтажних навантажень.

Аналіз напружень, що виникають при цьому, показав, що участок, на якому інтенсивно проявляється вплив характеру навантажень, незначний і складає приблизно 20 см (рис. 3). Це визначає мінімальний розмір підсилюючої накладки над монтажним вікном.

У третьому розділі проведені дослідження НДС обсадної колони при спуску наплаву з урахуванням її конструктивних особливостей.

Для визначення несучої здатності обсадна колона розглянута як труба, що зварена з листів і посилена кільцевими ребрами (шпангоутами) з швелера або штаби. Один край труби заглушають днищем і спускають в свердловину, заповнену буровим розчином. При цьому частина труби над днищем знаходиться в стані, відповідному осесиметрічному стисненню. Використовуючи моментну теорію осесиметрічних циліндричних оболонок, були отримані вирази внутрішніх силових факторів на участку труби між двома сусідніми шпангоутами.

Аналіз напруженого стану на даному участку труби (рис. 4) дозволяє визначити найбільш раціональні співвідношення кроку, жорсткості ребер і товщини стінки труби.

Для спуску обсадних труб невеликого діаметра (до 1 м) на плаву або на повітряній подушці, як правило, за днище використовується цементний міст значної товщини. При великих діаметрах використання такого днища стає неприйнятним через складнощі його монтажу. Таким чином, для труб великого діаметра виникає необхідність в конструкції менш масивного і достатньо міцного днища. Необхідні параметри може забезпечити сталеве днище.

З використанням моментной теорії осесиметрічних циліндричних оболонок, а так само теорії осесиметрічного згинання круглих пластин були отримані вирази для внутрішніх зусиль в трубі і днищі.

Для визначення необхідної жорсткості днища з умови його міцності, а також довжини участка труби, яку необхідно укріпити, і параметрів підсилюючих ребер був досліджений НДС зони стикування оболонки з пружним днищем, аналіз, якого показав, що днище з товщиною понад 120 мм можна вважати абсолютно жорстким, а товщина труби в зоні стику повинна бути понад 100 мм. Таким чином, через значне навантаження зони стикування оболонки з днищем жорстке з'єднання слід вважати неефективним.

Використання суцільного сталевого днища для обсадних колон великого діаметра не раціонально через високу матеріаломісткість і масивність, що в свою чергу призводить до складнощів його монтажу. Найбільш раціональна конструкція є тонкостінною пластиною, посиленою радіальними ребрами.

Існуючі спрощені методи розрахунку круглих пластин, підкріплених радіальними ребрами, припускають осесимметрічний характер деформації такої пластини, що обмежує їх застосування. Для випадку, коли згинальна жорсткість ребер значно перевищує згинальну жорсткість пластини, отримана умова

, (3)

де - радіус днища; - згинальна жорсткість днища, - товщина пластини, - число ребер, - згинальна жорсткість ребер.

Для випадку, коли виконується умова (3), можна скористатися розрахунковою моделлю (рис. 5), де дія з боку ребра замінюється реакцією, яка є зосередженою силою Q прикладеною на відстані с від центру пластини. Таке допущення не значно впливає на значення деформацій і напружень в круговому перерізі .

З використанням теорії несиметричного згинання круглих пластин були отримані вирази для деформацій і внутрішніх силових факторів в днищі.

Аналіз НДС днища показав:

- у зоні стикування ребер з пластиною присутня значна концентрація напружень до 3 відносно до напружень в перерізі в середині прольоту між ребрами;

- число ребер жорсткості має істотний вплив на напружений стан пластини при її товщині до 50 мм. При більшій товщині використання ребер недоцільне, при збільшенні числа ребер знижуються напруження в днищі.

В четвертому розділі розглянутий вплив зовнішніх навантажень і конструктивних особливостей на стійкість колони.

Обсадні труби в процесі експлуатації (при засміченні дренажних каналів) і при монтажі піддаються зовнішньому гідростатичному, а в деяких випадках і гірничому тиску. Все це, враховуючи значні габарити труб, може призвести до втрати стійкості. Таким чином, основним критерієм при проектуванні колони і виборі раціонального способу монтажу є критичний тиск на кріплення.

З урахуванням конструктивних особливостей характер втрати стійкості обсадної труби визначається параметрами шпангоута. Можливі наступні варіанти: якщо шпангоут пружний, то відбувається загальна втрата стійкості, якщо жорсткий - місцева. Провівши аналогію рівнянь стійкості з відповідними рівняннями коливання балки з розподіленими параметрами, були визначені умови, за яких виникає перехід від однієї форми до іншої:

- для одного шпангоута величина ефективної жорсткості складає

; (4)

- при довжині оболонки

; (5)

- ефективна жорсткість шпангоутів при довільному їх числі

, (6)

де - безрозмірний осьовий момент інерції, залежить від граничних умов закріплення оболонки (для шарнірного - ), , , - відповідно мінімальне і максимальне власні значення рівняння стійкості; - коефіцієнт, що враховує вплив прийнятих допущень при виведенні формули, - число на півхвиль, характерне для загальної форми втрати стійкості, - згинна жорсткість оболонки, , - крок шпангоутів, - приведена товщина стінки оболонки.

Якщо на заданому участку число ребер значне, і вони мають однакову жорсткість та розташовані з постійним кроком, то таку конструкцію можна розглядати як ортотропну з приведеною жорсткістю ребер, і тоді величину критичного тиску можна визначити за відомою формулою

, (7)

де - відповідає власному значенню рівняння стійкості для гладкої оболонки відповідно заданій схемі, - приведена жорсткість оболонки.

Таким чином, із залежності (5) можна знайти максимальну довжину напівхвилі, яка визначатиме нижню межу величини критичного тиску (7), а з рівняння (6) знаходиться довжина участка труби, на якій відбуватиметься місцева втрата стійкості, що і визначає верхню межу величини критичного тиску (7).

Важливим є врахування впливу на критичний тиск відхилень від номінальної форми труби. Відхилення профілю подовжнього перерізу складно визначити і контролювати, оскільки воно може виникати тільки в процесі нарощування колони. Відхилення від круглості (овальність, ограновування) практично завжди відоме. При селективному методі зборки проводяться попередні обмірювання параметрів торців секцій труб для кращого стикування, що приводить до виникнення цього відхилення за всією довжиною колони.

Для визначення величини критичного тиску залежно від параметрів відхилень від номінальної форми труби використовувався метод скінчених елементів, реалізований програмним середовищем ANSYS. За розрахункові моделі були вибрані оболонки, шарнірно закріплені на торцях. Для початкових неправильностей розглянемо перші дві форми ограновування - овальність і трикутне ограновування.

Дослідження НДС колони в процесі втрати стійкості показало, що коли має місце зім'яття кріплення при осушенні стволів, під час вимивання цементного розчину і т.п., замість утворення малих вм'ятин, характерних для місцевої втрати стійкості, виникає здуття значного участка труби. При цьому відбувається руйнування конструкції кріплення (відрив шпангоутів від труби), що вельми часто спостерігається і в практиці буріння.

У п'ятому розділі запропонована методика визначення раціональних конструктивних параметрів обсадної колони для поліпшення технологічних процесів.

Існуюча конструкція обсадних колон має низку недоліків:

- деформації верхнього торця труби при великих довжинах секції ускладнюють процес збірки колони;

- величина допустимого зовнішнього тиску на кріплення обмежує використання ефективнішого способу спуску;

- велика металоємність конструкції призводить до значних монтажних навантажень;

- недостатня міцність зварного шва між оболонкою і шпангоутом призводить до здуття значного участку труби при місцевій втраті стійкості.

Всі вищеперелічені проблеми частково або повністю вирішуються, якщо трубу замість однієї довгої оболонки представити як набір коротких оболонок або оболонок середньої довжини. Практично це реалізується установкою на час монтажу жорстких з'ємних бандажів у вигляді стержньової ферми встановленої всередині труби.

Для розрахунку обсадних колон з урахуванням особливостей конструкції та характеру навантаження була запропонована методика, яка умовно складається з двох частин: проектного розрахунку та перевірочного. В стадію проектного розрахунку входить:

- попереднє визначення приведеної товщини стінки труби та шагу установки бандажів;

- розподілення приведеної товщини між товщиною стінки оболонки та відносною жорсткістю шпангоутів;

- визначення шагу шпангоутів з урахуванням технологічності їх виготовлення.

До перевірочного розрахунку відноситься:

- побудова діаграми, яка визначає несучу здатність обсадної труби з умов стійкості та міцності;

- встановлення на основі діаграми остаточного шагу бандажу та розрахунок його параметрів.

Використання цієї методики при проектному розрахунку обсадних труб дозволяє знизити їх металоємність на 10...30%, а використання розпірних пристроїв для існуючих конструкцій колон дозволяє підвищити їх несучу здатність в 4...6 разів.

Проблема із зім'яттям кріплення при осушенні стволів вирішується, якщо конструктивно передбачити можливість викриття дренажних каналів при демонтажі бандажа до відкачування промивальної рідини.

ВИСНОВКИ

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, в якій вирішена актуальна науково-технічна задача теоретичного обґрунтування вибору раціональних параметрів конструктивних елементів обсадних труб та технологічних регламентів їх монтажу на основі вперше встановлених залежностей напружено-деформованого стану та стійкості сталевого кріплення, що дозволяє підвищити техніко-економічні показники будівництва шахтних вертикальних стволів.

Основні результати роботи полягають у наступному:

1. Виконаний системний аналіз сучасного стану і основних тенденцій розвитку спорудження стволів і свердловин великого діаметра показав, що 30...40% витрат вартості, трудомісткості і тривалості спорудження доводиться на процеси, пов'язані з їх кріпленням. Таким чином, удосконалення конструкції і технології кріплення слід розглядати одним із основних напрямків підвищення техніко-економічної ефективності спорудження стволів і свердловин великого діаметра.

2. На підставі аналітичних досліджень напружено-деформованого стану обсадної колони в умовах проведення монтажних робіт встановлено, що значна величина монтажних зусиль, викликаних вагою колони призводить до деформації верхнього торця труби, яка перевищує величину допуску в 1,2...2 рази, що ускладнює процес збірки колони.

3. Доведено, що напружено-деформований стан в зоні монтажного вікна визначається характером взаємодії колони і монтажної балки і є визначальним фактором при виборі параметрів підсилюючих накладок на монтажні вікна.

4. Встановлений вплив основних конструктивних елементів на напружено-деформований стан обсадної колони аналіз якого показав, що основним параметром, який визначає несучу здатність труби (для оптимізації конструкції) є товщина стінки, а варійованими параметрами залишаються крок і жорсткість шпангоутів, при цьому величина кроку повинна складати порядку 20...40 товщини стінки труби.

5. Найбільш оптимальною конструкцією днища при спуску обсадної колони на плаву, з погляду технології виготовлення і монтажу, а також забезпечення необхідної міцності, є плоске днище посилене радіальними ребрами жорсткості. Параметри пластини і ребер вибираються з умови міцності в зоні стикування його з трубою, при цьому участок труби, який повинен складати 1...2 м, слід додатково підсилювати стрингерами.

6. Основним критерієм при проектуванні колони і виборі раціонального способу монтажу є критичний тиск на кріплення. Тому для забезпечення стійкості колони слід застосовувати додаткові пристрої розпорів, при яких жорсткість пружних шпангоутів можна врахувати як приведену.

7. Перевірка аналітичних методів розрахунку методом скінчених елементів в програмному середовищі ANSYS для низки математичних моделей показала, що прийняті допущення, в цих моделях, не мають значного впливу на характер поведінки і на чисельні значення функцій, що характеризують НДС колони.

8. Розроблена методика визначення раціональних конструктивних параметрів обсадної колони була апробована при будівництві вентиляційного ствола на ДП «Селідоввугілля» шахта «Україна», де за рахунок використання жорстких з'ємних бандажів при проектуванні конструкції сталевого кріплення була знижена його металоємність на 10%.

Основні положення дисертації опубліковані в наступних роботах:

1. Улитин Г.М. Царенко С.Н. Расчет обсадной колонны, как цилиндрической оболочки, по полубезмоментной теории// Вісті Донецького гірничого інституту. - 2005. - №2. - С. 10-16.

2. Царенко С.Н. Оценка приближенных методов расчета обсадных колонн на основе метода конечных элементов// Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: „Гірничо-геологічна”. - Донецьк, ДонНТУ. - 2006. - Вип. 111. - Том 2. -С. 69-72.

3. Улитин Г.М. Царенко С.Н. Исследование напряженно-деформированного состояния обсадной колонны при спуске на плаву// Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: „Гірничо-геологічна”. - Донецьк, ДонНТУ. - 2006. - Вип. 105.-С. 114-117.

4. Улитин Г.М. Царенко С.Н. Влияние днища на конструктивные особенности обсадной колонны// Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: „Гірничо-геологічна”. - Донецьк, ДонНТУ. - 2007. Вип. 125. - С. 116-121.

5. Улитин Г.М. Царенко С.Н. Влияние конструктивных особенностей обсадной колонны на ее устойчивость. Матеріали міжнародної конференції „Форум гірників - 2007”. - Д.: РВК НГУ. - 2007. - С. 216-223.

Особистий внесок автора в роботах, опублікованих в співавторстві:

1 - реалізація математичних моделей з рівномірно розподіленим та розподіленим за косинусом навантаження від монтажної балки;

3 - дослідження напружено-деформованого стану обсадної колони з днищем під час її спуску на плаву;

4 - аналіз впливу конструктивних елементів круглого пружного днища на його міцність;

[5] - розрахунок ефективної жорсткості шпангоутів за методом початкових параметрів.

АНОТАЦІЯ

Царенко С.Н. «Обґрунтування параметрів сталевого кріплення при бурінні шахтних вертикальних стволів». - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.04 - «Шахтне і підземне будівництво». - Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2008.

Дисертація присвячена питанням розрахунку і проектування обсадних колон і технології їх монтажу при будівництві стволів і свердловин великого діаметра.На основі проведених досліджень напружено-деформованого стану труби на різних стадіях процесу зведення кріплення були розроблені теоретичні основи проектування обсадних колон і елементів їх конструкцій (з'ємний бандаж, сталеве днище), з врахуванням спільності деформацій оболонки з торцевим диском днища та кільцевими і повздовжніми ребрами жорсткості.Отримані нові залежності визначення ефективної величини жорсткості силових шпангоутів при довільному їх числі, з урахуванням специфіки конструкції та роботи обсадної колони.Запропоновано використання на час проведення монтажних робіт розпірних пристроїв, що дозволяє підвищити несучу здатність існуючої конструкції колони в 4...6 разів, а врахування їх використання в проектному розрахунку дозволяє знизити металоємність обсадних труб на 10...30%.

Ключові слова: обсадна труба, вертикальний ствол, тонкостінна оболонка, кругла пластина, стійкість ортотропних оболонок.

АННОТАЦИЯ

Царенко С.Н. «Обоснование параметров стальной крепи при бурении шахтных вертикальных стволов». - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.04 - «Шахтное и подземное строительство». - Национальный горный университет, Днепропетровск, 2008.

Диссертация посвящена вопросам расчета и проектирования обсадных колонн и технологии их монтажа при строительстве стволов и скважин большого диаметра.

Обсадная труба представляет собой тонкостенную замкнутую круговую стальную оболочку, подкрепленную кольцевыми, а иногда и продольными ребрами жесткости. По причине не обоснованного теоретическими расчетами конструирования обсадных труб не редки случаи разрушения их отдельных узлов или потери устойчивости отдельных участков трубного става. С целью разработки теоретических основ проектирования обсадных колонн и элементов их конструкции (съемный бандаж, стальное днище) было проведено исследование напряженно-деформированного состояния (НДС) трубы на различных стадиях в процессе возведения крепи.

На основании проведенных исследований с использованием теории расчета тонкостенных оболочек на прочность и устойчивость методами строительной механики получены следующие результаты:

Впервые была учтена и получена зависимость влияния нагрузок на деформацию верхнего торца трубы обсадной колонны в условиях выполнения монтажных работ при посадке ее на монтажную балку.

Исследован характер влияния нагрузки со стороны монтажной балки на НДС в зоне монтажных окон.

Анализ НДС зоны состыковки трубы с кольцевыми ребрами жесткости позволил обосновать параметры шага ребер, а так же выбрать рациональное соотношение толщины стенки трубы и жесткости ребер.

Была предложена и реализована новая математическая модель круглого упругого плоского днища с радиальными ребрами, позволяющая, в отличии от существующих инженерных методик расчета, учитывать концентрацию напряжений в пластине в зоне ее состыковки с ребрами.

Впервые получены зависимости определения эффективной величины жесткости силовых шпангоутов при произвольном их числе, с учетом специфики конструкции и работы обсадной колонны.

Впервые предложено использование на время проведения монтажных работ распорных приспособлений, что позволяет повысить несущую способность существующей конструкции колонны в 4…6 раз, а учет их использования в проектном расчете позволяет снизить металлоемкость обсадных труб на 10…30%.

Практические результаты работы заключаются в следующем:

Разработана методика определения рациональных параметров конструкции и вспомогательных элементов (стальное днище, съемный бандаж) стальной обсадной колонны крепи шахтных вентиляционных стволов;

Разработаны рекомендации по проведению монтажных работ при возведении крепи скважин большого диаметра стальной обсадной колонной.

Ключевые слова: обсадная труба, вертикальный ствол, тонкостенная оболочка, круглая пластина, устойчивость ортотропных оболочек.

ANNOTATION

Tsarenko S.N. “Substantiation of parameters of steel shaft linings in a boring of vertical shaft”. - Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science at the specialty 05.15.04 - “Mine and underground construction”. National Mining University, Dnipropetrovsk, 2008

This thesis is devoted to the questions of calculations and projection of boring casings and of technology of theirs assembling in construction of shafts and boreholes of big diameters.On the basis of performed researches of state of tense-strain (STS) of pipe in different stages of lining construction process theoretical bases of projecting of boring casings and of their construction's elements (demountable band, steel bottom) were engineered.The functional dependences of force influence on a deformation of an upper butt of a pipe of a boring casing in conditions of construction during its getting down on an assembly beam were found. And the character of influence of forces from boring casing on STS in a zone of assembly window was researched.As the result the using of a thrust appliance during the construction performance is offered. It allows to increase a bearing capability of existent construction of column in 4-6 times. And taking the using of them into account of project calculations lets to reduce a metal content in casing pipes on 10 - 30%.

Keywords: boring casing, vertical shaft, thin-walled casing, round plate, steadiness of orthotropic casing.

Размещено на Allbest.ru

...