Эволюция буровых комплексов для слепого бурения вертикальных стволов

Слепое бурение — один из наиболее эффективных методов проходки вертикальных стволов в сложных гидрогеологических условиях. Впервые в Китае эта технология была применена в 1968 году для строительства вентиляционного ствола шахты Паньсань (провинция Аньхой). За прошедшие десятилетия оборудование прошло путь от переделанных нефтяных станков до специализированных комплексов, способных бурить стволы диаметром до 13 метров и глубиной более 1000 метров. По состоянию на 2015 год в Китае этим методом пройдено более 100 стволов суммарной глубиной свыше 22 км.

Три этапа развития буровой техники

Развитие буровых комплексов для слепого бурения в китайской угольной промышленности, согласно анализу более чем 50-летнего опыта, разделяется на три периода.

Первый период (1963–1972 гг.) — использование адаптированных нефтяных буровых установок. Первая установка ZZS-1, созданная на базе нефтяного оборудования, позволяла бурить стволы диаметром до 4,3 м и глубиной до 150 м. Другие машины этого периода (MZ-I, MZ-II, YZ-1) имели схожие характеристики: крутящий момент 39,2 кН·м и крюковую нагрузку 1300 кН. Всего за эти годы с помощью таких установок пройдено 14 стволов.

Второй период (1973–1983 гг.) — создание первых специализированных буровых установок. В 1973 году разработана машина ND-1, способная бурить стволы диаметром до 7,4 м на глубину до 500 м. Установка BZ-1 увеличила глубину до 600 м, а модификации SZ-9/700 позволили достичь глубины 700 м при диаметре до 9 м. Всего за этот период построено 9 стволов с использованием установки SZ-9/700 и 6 стволов с установкой L40/800 (импортной, производства WIRTH).

Третий период (с 1983 г.) — период создания сверхмощных комплексов. Установки AS-9/500G и AS-12/800 позволили нарастить диаметр бурения до 11–12 м. Флагманами современного парка являются комплексы AD120/900 и AD130/1000, созданные специально для глубокого бурения. Они обеспечивают крутящий момент до 600–700 кН·м и способны проходить стволы диаметром до 13 м на глубину до 1000 м. Установки L40/800 (1980-е) и L40/1000 (1990-е) производства WIRTH также использовались в этот период — с их помощью пройдено 9 стволов.

Ключевые параметры основных типов установок по периодам:

1963–1972 гг.:

• диаметр бурения — до 4,3–5,0 м;
• глубина — до 150 м;
• крутящий момент — 39,2 кН·м;
• крюковая нагрузка — 1300 кН.

1973–1983 гг.:

• диаметр бурения — до 7,4–9,0 м;
• глубина — до 500–700 м;
• крутящий момент — от 117 до 294 кН·м;
• крюковая нагрузка — до 3000 кН.

С 1983 г.:

• диаметр бурения — до 11–13 м;
• глубина — до 800–1000 м и более;
• крутящий момент — до 600–700 кН·м;
• крюковая нагрузка — до 700–800 кН.

Эволюция конструкций крепи для буровых стволов

Параллельно с развитием буровых установок совершенствовалась и конструкция крепи. На начальном этапе применялась монолитная железобетонная крепь. Однако с ростом глубин и усложнением горно-геологических условий потребовались новые решения.

Традиционная железобетонная крепь рассчитывалась по теории толстостенных цилиндров (формулы Ламе) и применялась на стволах небольшой глубины.

Комбинированная крепь (бетон + два стальных цилиндра) стала внедряться с 1980-х годов. Это многослойная система:

• внутренний стальной цилиндр — толщина 16–20 мм;
• наружный стальной цилиндр — толщина 16–20 мм;
• бетонное заполнение между ними — высокопрочный бетон (класс C65/75 и выше).

U-образные анкерные пластины, приваренные к внутреннему цилиндру, обеспечивают связь бетона со сталью и их совместную работу под нагрузкой. На примере вентиляционного ствола шахты Чжанцзи сегмент высотой 3 м содержал 7,5 тонн стали и около 70 м³ бетона при общей массе 183 тонны.

Физические испытания моделей, проведённые в Аньхойском университете науки и технологии, показали:

• разрушающая нагрузка для комбинированной крепи — от 29,5 до 41,0 МПа (в зависимости от толщины цилиндров и класса бетона);
• разрушающая нагрузка для обычной железобетонной крепи — от 21,5 до 31,0 МПа.

Таким образом, применение стальных цилиндров позволило повысить несущую способность крепи на 30–40% без увеличения габаритных размеров.

Рекордные стволы, пройденные методом слепого бурения

По мере развития техники росли и параметры пройденных стволов. Некоторые рекордные показатели на 2015 год:

• максимальная глубина бурения для одного ствола — 660 м;
• максимальный диаметр бурения — 10,8 м;
• максимальный внутренний диаметр ствола — 8,3 м.

Среди наиболее глубоких стволов, пройденных за последние десятилетия (по данным из файла):

• стволы шахты Баньцзи (провинция Аньхой, 2007 г.) — диаметр бурения до 10,8 м, глубина до 642 м, внутренний диаметр до 7,3 м;
• вентиляционные стволы шахты Чжанцзи (провинция Аньхой, 2007–2008 гг.) — диаметр бурения до 10,8 м, внутренний диаметр до 8,3 м;
• стволы шахты Лунгу (провинция Шаньдун, 2004–2007 гг.) — глубина бурения до 581 м, диаметр до 9,0 м;
• вентиляционный ствол шахты Синху (провинция Аньхой, 2012 г.) — глубина бурения 472 м, диаметр 9,6 м, внутренний диаметр 7,0 м.

Заключение

Эволюция буровых комплексов для слепого бурения в Китае демонстрирует чёткий тренд: от адаптированных нефтяных установок к специализированным машинам, от диаметра 4 м к 13 м, от глубины 150 м к 1000 м. Параллельно совершенствовалась конструкция крепи — от монолитного бетона к комбинированным системам «бетон + сталь», что позволило повысить несущую способность на 30–40%. Направлениями дальнейшего развития остаются:

• совершенствование конструкций буровых долот для повышения режущей способности;
• создание новых типов высокопрочной крепи для снижения толщины и массы сегментов;
• разработка более мощных установок для увеличения скорости бурения и глубины проходки.

Слепое бурение остаётся одним из самых перспективных методов проходки глубоких стволов в сложных гидрогеологических условиях, особенно когда другие методы (замораживание, тампонаж) требуют больших затрат и несут повышенные риски.

_{Источник: Vertical and Decline Shaft Sinking - Good Practices in Technique and Technology. International Mining Forum 2015. Cracow, Poland
Фото: https://pikabu.ru/}