Способ создания защитного экрана в кровле проектируемых горных выработок (варианты)
Владельцы патента RU 2580124:
Общество с ограниченной ответственностью Научно-технический и экспертный центр новых экотехнологий в гидрогеологии и гидротехнике "НОВОТЭК" (RU)
Предложенная группа изобретений относится к вариантам способа создания защитного экрана в кровле проектируемых горных выработок. Технический результат заключается в создании защитного экрана с большой экранирующей поверхностью в рыхлых рудах, что обеспечивает технологическую возможность и экономическую целесообразность проходки очистных выработок в виде добычных лент. Каждый вариант способа включает бурение в горном массиве, по крайней мере, из одной предварительно пройденной горной выработки параллельных скважин и размещение в пробуренных скважинах труб-анкеров. Особенность первого варианта способа состоит в том, что бурение скважин осуществляют из одной из двух или из двух существующих примыкающих к экранируемой зоне горных выработок, перпендикулярных или параллельных соответственно проектируемым параллельным примыкающим друг к другу очистным горным выработкам, выдерживая шаг t между параллельными геометрическими осями скважин. Особенность способа по второму варианту заключается в том, что в средней части экранируемой зоны проходят вспомогательную горную выработку перпендикулярно проектируемым параллельным примыкающим друг к другу очистным горным выработкам или в одном из диагональных направлений экранируемой зоны. Бурение скважин осуществляют из вспомогательной горной выработки, выдерживая шаг t между параллельными геометрическими осями скважин. Размер шага t определяют в зависимости от наружного диаметра тубы-анкера, коэффициента структурного ослабления пород, коэффициента крепости пород по шкале М.М. Протодьяконова, момента сопротивления изгибу поперечного сечения трубы-анкера, допустимого напряжения на изгиб материала трубы-анкера, объемного веса породы, пролета проектируемой очистной горной выработки, а так же угла пересечения проекций на плоскость экранирования геометрических осей скважин и проектируемых очистных горных выработок. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 25 ил.
Группа изобретений относится к подземному строительству, а именно к способам создания защитного экрана в кровле проектируемых горных выработок преимущественно в виде добычных лент при разработке рыхлых руд.
Известны способы создания защитного экрана при проходке горных выработок. В частности, известен способ проходки тоннелей по патенту РФ на изобретение (RU 2301339, E21D 9/04, 20.06.2007). Он включает продавливание массива грунта полым протяженным элементом с помощью домкратной установки, выборку керна, продавливание грунта последующим полым элементом, выборку из него керна и соединение полых элементов. Соединенные между собой полые элементы являются стенками выработки и одновременно служат защитным экраном.
Недостатком этого известного способа является ограниченность использования по крепости пород и размеру поперечного сечения подлежащей защите горной выработки (он применим для проведения тоннелей малого сечения, предназначенных для прокладывания кабеля в слабых грунтах насыпей или под насыпями), и поэтому не может быть использован для экранирования горных выработок значительного поперечного сечения.
Известен способ создания трубного инъекционного экрана над тоннелями и устройство для его осуществления по патенту Германии на изобретение (DE 3639891, E21D 9/00, 01.06.1988). Известный способ включает бурение из призабойной части уже пройденного тоннеля наклонных расходящихся скважин в кровле проектируемой выработки (будущей части тоннеля) и нагнетание тампонажного раствора. Причем бурение и нагнетание осуществляют в одну стадию (одновременно) с помощью устройства, в котором нагнетательная труба выполнена перфорированной защитной (обсадной) с призабойным башмаком. Отверстия в трубе выполнены коническими с расширением наружу и прикрыты коническими пробками. Внутри перфорированной трубы размещена бурильная труба с долотом. Обсадная и бурильная трубы в процессе бурения наращиваются в колонны с помощью соответствующих резьбовых соединений. После окончания бурения скважины бурильная колонна извлекается из перфорированной обсадной, а последняя остается в скважине в качестве анкера. Бурение скважин осуществляют с промывкой или продувкой. При необходимости (наличие трещин в массиве пород) в прискважинную зону подают тампонажный раствор через приоткрытые его давлением отверстия обсадной колонны.
Недостатком известного способа является невозможность создания общего защитного экрана в кровле группы проектируемых очистных выработок в виде добычных лент при добыче рыхлых руд.
Известен также способ создания тоннеля или прохода под существующими сооружениями, например под сетью железнодорожных путей, по патенту США на изобретение (US 4009579, E21D 1/04, 01.03.1977). Этот известный принятый в качестве прототипа способ обеспечивает сохранность наземных сооружений в зоне прохода и защиту призабойной части проходимого тоннеля. Он включает создание защитного экрана в кровле проектируемого тоннеля путем бурения горизонтальных параллельных примыкающих друг к другу скважин из одной из двух предварительно вырытых открытых горных выработок, ориентируя геометрические оси скважин параллельно геометрической оси проектируемого тоннеля. Бурение осуществляют без промывки оснащенной долотом и шнеком колонной бурильных труб под защитой колонны обсадных труб, которая после извлечения из нее колоны бурильных труб остается размещенной в скважине и служит в качестве труб-анкеров с последующим их армированием (заполнением бетоном вокруг осевого размещенного внутри троса). Затем проходят тоннель с креплением. Такой экран обладает повышенной прочностью, но при высокой стоимости строительных работ. Он не приемлем экономически для экранирования отдельных очистных выработок и не осуществим для экранирования их совокупности в виде добычных лент.
Задача группы изобретений состоит в разработке такого способа создания защитного экрана в кровле проектируемых горных выработок, который позволял бы получить экранирование зоны, охватывающей одновременно ряд подлежащих разработке параллельных примыкающих очистных выработок (добычных лент) при добыче рыхлых (склонных к вывалообразованию из кровли) руд, за счет учета горного давления и прочностных параметров руд и труб-анкеров.
Для решения поставленной задачи с указанным техническим результатом предложена группа изобретений из двух вариантов способа в зависимости от возможности использования имеющихся пройденных горных выработок (первый вариант) или в необходимости проходки вспомогательной горной выработки (второй вариант).
Каждый вариант способа создания защитного экрана в кровле проектируемых горных выработок включает бурение в горном массиве, по крайней мере, из одной предварительно пройденной горной выработки параллельных скважин с помощью оснащенных породоразрушающим элементом бурильных труб под защитой обсадных труб и размещение в пробуренных скважинах труб-анкеров.
Отличительная особенность первого варианта способа состоит в том, что бурение скважин осуществляют из одной из двух или из двух существующих примыкающих к экранируемой зоне горных выработок, перпендикулярных или параллельных соответственно проектируемым параллельным примыкающим друг к другу очистным горным выработкам, выдерживая шаг t между параллельными геометрическими осями скважин, размер которого определяют по зависимости полученной в результате обобщения корреляции влияния горного давления на сводообразование в горной выработке по известной методике проф. М.М. Протодьяконова (Давление горных пород и рудничное крепление, М.М. Протодьяконов, ч. 1, М.: Госгортехиздат, 1930 г., 128 с.) и расчетных формул строительной механики и теории сопротивления материалов (Сопротивление материалов, Н.М. Беляев, М.: Наука, 1976 г., 608 с.).
t=d+6·(k·f·W·[σ])1/2·γ0 -1/2·b-1·sin α, м,
где d - наружный диаметр тубы-анкера, м;
k - коэффициент структурного ослабления пород (k=0,1…1,0);
f - коэффициент крепости пород по шкале М.М. Протодьяконова (f=1…20);
W - момент сопротивления изгибу поперечного сечения трубы-анкера, м3;
[σ] - допустимое напряжение на изгиб материала трубы-анкера, МН/м2;
γ0 - объемный вес породы, кН/м3;
b - пролет проектируемой очистной горной выработки, м;
α - угол пересечения проекций на плоскость экранирования геометрических осей скважин и проектируемых очистных горных выработок (0≤α<90°).
Отличительная особенность второго варианта способа состоит в том, что в средней части экранируемой зоны проходят вспомогательную горную выработку перпендикулярно проектируемым параллельным примыкающим друг к другу очистным горным выработкам или в одном из диагональных направлений экранируемой зоны бурение скважин производят из вспомогательной горной выработки, выдерживая шаг t между параллельными геометрическими осями скважин, размер которого определяют по зависимости
t=d+6·(k·f·W·[σ])1/2·γ0 -1/2·b-1·sin α, м,
где d - наружный диаметр тубы-анкера, м;
k - коэффициент структурного ослабления пород (k=0,1…1,0);
f - коэффициент крепости пород по шкале М.М. Протодьяконова (f=1…20);
W - момент сопротивления изгибу поперечного сечения трубы-анкера, м3;
[σ] - допустимое напряжение на изгиб материала трубы-анкера, МН/м2;
γ0 - объемный вес породы, кН/м3;
b - пролет проектируемой очистной горной выработки, м;
α - угол пересечения проекций на плоскость экранирования геометрических осей скважин и проектируемых очистных горных выработок (0≤α<90°).
Для возможности регулирования несущей способности создаваемого защитного экрана в предлагаемом способе производят заполнение труб-анкеров твердеющим составом, причем в качестве труб-анкеров используют обсадные трубы или вводят в обсадные трубы трубы-анкеры и затем извлекают из скважины обсадные трубы.
Для повышения качества защитного экрана за счет улучшения проникающей способности тампонажного раствора в горный массив в предлагаемом способе бурение скважин осуществляют с промывкой при воздействии переменного гидродинамического давления на прискважинную зону промывочной жидкости с добавлением ПАВ с помощью гидравлического вибратора, установленного на бурильных трубах у породоразрушающего элемента, а в качестве труб-анкеров используют перфорированные трубы и через перфорированные трубы-анкеры производят нагнетание тампонажного раствора в прискважинную зону горного массива после извлечения из скважин обсадных труб.
Для уменьшения количества скважин при фиксированном размере защитного экрана за счет устранения концентраций сжимающих напряжений горного массива в прискважинной зоне при бурении скважин без промывки в качестве труб-анкеров используют перфорированные трубы, после размещения которых в обсадных трубах в каждой скважине производят щелевую разгрузку путем нарезания двух параллельных плоскости экранирования сплошных щелей двумя поворотными ножами, размещенными в продольных сквозных окнах головной части обсадных труб и выводимыми наружу механизмом поворота ножей, устанавливаемым вместо породоразрушающего элемента бурильных труб после извлечения их из обсадных труб, а после нарезания щелей через перфорированные трубы-анкеры нагнетают тампонажный раствор в прискважинную зону горного массива.
Сущность группы изобретений поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 изображен способ создания экрана в кровле проектируемых горных выработок, модификация первого варианта (окончательная стадия экранирования, когда использовалось бурение скважин из одной из двух существующих горных выработок, перпендикулярных проектируемым горным выработкам), вид экрана в плане;
на фиг. 2 то же - модификация первого варианта (окончательная стадия экранирования, когда использовалось бурение скважин из двух существующих горных выработок, параллельных проектируемым горным выработкам), вид экрана в плане;
на фиг. 3 то же - модификация второго варианта (окончательная стадия экранирования, когда использовалось бурение скважин из пройденной в средней части экранируемой зоны вспомогательной горной выработки), вид экрана в плане;
на фиг. 4 то же - разрез А-А на фиг. 3;
на фиг. 5 то же - схема размещения труб-анкеров защитного экрана в кровле проектируемых горных выработок;
на фиг. 6 то же - промежуточная стадия бурения скважины колонной бурильных шнековых труб (бурение без промывки), вертикальный разрез;
на фиг. 7 то же - промежуточная стадия извлечения из пробуренной скважины колонны бурильных труб с долотом, вертикальный разрез;
на фиг. 8 то же - промежуточная стадия ввода в колонну обсадных труб труб-анкеров, вертикальный разрез;
на фиг. 9 то же - промежуточная стадия извлечения колонны обсадных труб из скважины, вертикальный разрез;
на фиг. 10 то же - промежуточная стадия заполнения труб-анкеров твердеющим составом, вертикальный разрез;
на фиг. 11 то же - промежуточная стадия бурения скважины с промывкой колонной бурильных труб, оснащенной гидравлическим вибратором, вертикальный разрез;
на фиг. 12 то же - промежуточная стадия извлечения из колонны обсадных труб колонны бурильных труб, оснащенной вибратором, вертикальный разрез;
на фиг. 13 то же - промежуточная стадия ввода в колонну обсадных труб перфорированных труб-анкеров;
на фиг. 14 то же - промежуточная стадия извлечения колонны обсадных труб из пробуренной скважины;
на фиг. 15 то же - промежуточная стадия нагнетания тампонажного раствора в прискважинную зону горного массива через перфорированные трубы-анкеры;
на фиг. 16 то же - промежуточная стадия бурения скважины без промывки с колонной обсадных труб, головная часть которой оснащена двумя поворотными ножами, продольный разрез;
на фиг. 17 то же - промежуточная стадия извлечения из колонны обсадных труб колонны бурильных труб, продольный разрез;
на фиг. 18 то же - промежуточная стадия доставки к забою скважины с помощью колонны бурильных труб механизма поворота ножей для нарезание щелей, разрез в плоскости экранирования;
на фиг. 19 то же - стадия вывода из продольных сквозных отверстий ножей для нарезания щелей (головная часть колонны обсадных труб с размещенным в ней механизмом поворота ножей, общий вид с частичным продольным разрезом);
на фиг. 20 то же - промежуточная стадия извлечения оснащенным механизмом поворота ножей колонны бурильных труб, разрез в плоскости экранирования;
на фиг. 21 то же - промежуточная стадия ввода в колонну обсадных труб перфорированных труб-анкеров, разрез в плоскости экранирования;
на фиг. 22 то же - промежуточная стадия нарезания щелей при извлечении колонны обсадных труб с ножами в рабочем положении, разрез в плоскости экранирования;
на фиг. 23 то же - сечение Б-Б на фиг. 22;
на фиг. 24 то же - стадия нагнетания тампонажного раствора в горный массив через перфорированные трубы-анкеры, разрез в плоскости экранирования;
на фиг. 25 то же - вертикальное поперечное сечение очистных горных выработок под защитным экраном (промежуточная стадия разработки очистных лент),
где:
1 - защитный экран;
2 - кровля проектируемых горных выработок;
3 - очистные горные выработки, например в виде параллельных, примыкающих друг к другу очистных лент;
4 - горный массив; 4а - рудная мелочь; 4б - прискважинная зона;
5 - скважины; 5а - кондуктор скважины;
6, 7 - горные выработки, из которых бурятся скважины, перпендикулярные горной выработке 3 (вариант 1);
8, 9 - горные выработки, из которых бурятся скважины, параллельные горной выработке 3 (вариант 1);
10 - контур экранируемой зоны 11; продольные участки 10а, 10б и поперечные участки 10в, 10г;
11 - экранируемая зона;
12 - геометрические оси скважин 5;
13 - геометрические оси проектируемых очистных горных выработок 3;
14 - вспомогательная выработка (вариант 2);
15 - буровой агрегат с 2-мя вращателями 15а и 15б;
16 - бурильные трубы, 16а - бурильная колонна, 16б - шнек бурильной колонны;
17 - обсадные трубы, 17а - обсадная колонна, 17б - головная часть обсадной колонны;
18 - породоразрушающий элемент бурильной колонны 16а, например долото;
19 - башмак обсадной колонны 17а, 19а - продольный паз башмака;
20 - трубы-анкеры, соединенные между собой резьбовыми соединениями (пустотелые),
20а - перфорированные трубы-анкеры;
21 - твердеющий состав для заполнения труб-анкеров, 21а - тампонажный раствор для нагнетания в прискважинную зону;
22 - гидравлический вибратор;
23 - промывочная жидкость с ПАВ;
24 - поворотные ножи, 24а - оси поворота ножей, связанные с башмаком 19 головной части 17б обсадной колонны 17а, 24б - предрабочее положение ножей (с выходом наружу), 24в - поворотные ножи, опрокинутые до упора в рабочее положение;
25 - продольные сквозные отверстия головной части 17б обсадной колонны 17а;
26 - проволочные фиксаторы для закрепления поворотных ножей 24;
27 - механизм поворота ножей 24;
28, 29 - пары механизма поворота 27;
30 - шарнир механизма поворота 27;
31, 32 - звенья короткое и длинное механизма поворота ножей 27;
33 - шарнир для соединения коротких звеньев 31, 32 механизма поворота 27;
34 - проушина;
35 - цилиндрическая головка с радиальным выступом 35а (шпонкой);
36 - центрирующий буртик цилиндрической головки 35;
37 - проушина;
38 - цилиндрический наконечник;
39 - центрирующий буртик цилиндрического наконечника 38;
40 - присоединительная часть механизма поворота под муфту бурильной колонны 16а;
41 - перемычка проушины 37;
42 - сплошные щели в горном массиве 4;
43 - песчано-цементная смесь для закладки очистных горных выработок.
Способ создания защитного экрана в кровле проектируемых горных выработок в соответствии с предлагаемой группой изобретений (вариантов) состоит в следующем.
В зависимости от возможности использования имеющихся горных выработок или необходимости проходки вспомогательных горных выработок разработаны два варианта предлагаемого способа.
Первый вариант (фиг. 1 и 2) предлагаемого способа создания защитного экрана 1 в кровле 2 проектируемых горных выработок 3, например, в виде параллельных примыкающих друг к другу очистных горных выработок (добычных лент) в горном массиве 4, представленном рыхлой (склонной к вывалообразованию) рудой, включает бурение скважин 5 параллельно друг другу из одной из двух существующих горных выработок 6, 7, перпендикулярных проектируемым очистным горным выработкам 3 (фиг. 1), или из двух существующих горных выработок 8 и 9 (фиг. 2), параллельных проектируемым очистным горным выработкам 3. Горные выработки 6 (7) и 8 (9) параллельны соответствующим прямолинейным участкам контура 10 экранируемой зоны 11 - продольным 10а, 10б и поперечным 10в, 10г (по отношению к выработкам 3). После завершения экранирования созданный защитный экран 1 совпадает с экранируемой зоной 11. При бурении скважин 5 обеспечивают в общем случае скрещивание (пересечение проекций на плоскость экранирования) их геометрических осей 12 и геометрических осей 13 проектируемых очистных горных выработок 3 под углом α в диапазоне, определяемом неравенством
В частности на фиг. 1 α=0°, на фиг. 2α=45°.
Плоскость экранирования, т.е. плоскость, содержащая геометрические оси 12 скважин 5, является близкой к горизонтальной.
Второй вариант (фиг. 3 и 4) предлагаемого способа создания защитного экрана 1 в кровле 2 проектируемых очистных горных выработок 3 в горном массиве 4 включает бурение скважин 5 параллельно друг другу только из вспомогательной выработки 14 (фиг. 3). Выработку 14 заранее проходят в средней части экранируемой зоны 11 перпендикулярно проектируемым очистным горным выработкам 3. Возможна и диагональная ориентация вспомогательной горной выработки 14: ее проходят в одном из диагональных направлений экранируемой зоны 11 - направлений р или q (фиг. 3). При бурении скважин 5 обеспечивают скрещивание их геометрических осей 12 и геометрических осей 13 проектируемых очистных горных выработок 3 под углом α=0° (фиг. 3) или под углом α≠0° (при диагональной ориентации вспомогательной выработки 14).
Бурение скважин 5 в обоих вариантах предлагаемого способа осуществляют с шагом t между их параллельными геометрическими осями 12 (фиг. 5), размер которого определяют по зависимости
где d - наружный диаметр трубы-анкера, м;
k - коэффициент структурного ослабления пород (k=0,1…1,0);
f - коэффициент крепости пород по шкале М.М. Протодьяконова (f=1…20);
W - момент сопротивления изгибу поперечного сечения трубы-анкера, м3;
[σ] - допустимое напряжение на изгиб материала трубы-анкера, МН/м2;
γ0 - объемный вес породы, кН/м3;
b - пролет проектируемой очистной горной выработки, м;
α - угол пересечения проекций на плоскость экранирования геометрических осей скважин и проектируемых очистных горных выработок (0≤α<90°).
Для каждого варианта предлагаемого способа создания защитного экрана 1 приемы бурения, включая их модификации по физико-химическому воздействию на горный массив 4, и по разновидности бурения (без промывки, с промывкой), по виду труб-анкеров (цельных, перфорированных), по наличию усиления анкеров (введением твердеющих составов и без них), по закреплению прискважинной зоны (нагнетание тампонажного раствора или без такового), являются общими. Поэтому подробное рассмотрение предлагаемого способа достаточно продемонстрировать на примере бурения единичной скважины 5 (фиг. 6…24).
Бурение каждой скважины 5 в горном массиве 4 осуществляют с помощью бурового агрегата 15 (фиг. 6), например установки лучевого бурения УЛБ-130, как наиболее универсального бурового агрегата, имеющей два вращателя 15а и 15б бурильных труб 16 и обсадных труб 17 соответственно, а также средство их осевого перемещения (на чертеже не показано). Бурильные трубы 16 соединяют в колонну 16а замковыми соединениями с Т-образными пластинчатыми пружинами путем их осевого перемещения и вращения с помощью вращателя 15а, а обсадные трубы 17 соединяют в колонну 17а резьбовыми соединениями с помощью вращателя 15б. Бурильная колонна 16а оснащена породоразрушающим элементом 18 (например, в виде долота) и шнеком 16б. Обсадная колонна 17а в головной части оснащена башмаком 19, имеющим продольный паз 19а.
Бурение скважин 5 производят без промывки или с промывкой.
Бурение скважин 5 без промывки (фиг. 6) осуществляют через кондуктор 5а при приложении вращающих моментов Μ1 и М2, а также осевых сил F1 и F2 соответственно к буровой и обсадной колоннам 16а и 17а, периодически наращивая их длины. В процессе бурения разрушенную долотом 18 и башмаком 19 рудную мелочь 4а удаляют из скважины 5 через обсадную колонну 17а шнеком 16б. При достижении проектной длины скважины 5 прекращают бурение, извлекают из обсадной колоны 17а бурильную колонну 16а и вводят в обсадную колонну 17а соединенные между собой резьбовыми соединениями трубы-анкеры 20 (фиг. 8). Затем извлекают из скважины 5 обсадную колонну 17а (фиг. 9). Таким образом, получают защитный экран 1, где горный массив 4 внутри экранируемой зоны 11 закреплен пустотелыми трубами-анкерами 20. В качестве труб-анкеров могут быть использованы и сами обсадные трубы 17 (на чертеже не показано).
При необходимости несущая способность защитного экрана 1 может быть повышена. Для чего производят заполнение труб-анкеров 20 твердеющим составом 21 (фиг. 10), например бетоном, путем нагнетания с помощью бетонного насоса (на чертеже не показано) или обсадных труб 17, используемых в качестве труб-анкеров после извлечения из них бурильных труб 16 (на чертеже не показано). Аналогично бурят остальные скважины 5 в экранируемой зоне 11, а размещенные в них трубы-анкеры 20 (заполненные твердеющим составом 21) армируют горный массив 4 и служат защитным экраном 1 проектируемых горных выработок 3.
Возможна модификация предлагаемого способа при бурении скважин 5 с промывкой. В этом случае бурильную колону 16а у долота 18 предварительно оснащают гидравлическим вибратором 22 золотникового типа. Бурение скважины 5 осуществляют (фиг. 11) при вращающейся обсадной колонне 17а и при воздействии переменного гидростатического давления (с частотой 10…150 Гц) на прискважинную зону 46 промывочной жидкости с добавлением ПАВ 23 с помощью гидравлического вибратора 22. При достижении проектной длины скважины 5 извлекают из обсадной колонны 17а (фиг. 12) бурильную колонну 16а с гидравлическим вибратором 22 и вводят в обсадную колонну 17а (фиг. 13) перфорированные трубы-анкеры 20а, соединенные между собой резьбовыми соединениями. Затем извлекают из скважины 5 обсадную колонну 17а (фиг. 14), а после ее извлечения производят нагнетание в прискважинную зону 4б горного массива 4 тампонажного раствора 21а через перфорированные трубы-анкеры 20а (фиг. 15).
Возможна также модификация предлагаемого способа при бурении скважин без промывки с применением щелевой разгрузки. В этом случае головную часть 17б обсадной колонны 17а оснащают двумя поворотными (в одной диаметральной плоскости) ножами 24 с осями поворота 24а, связанными с башмаком 19. (фиг. 16). Поворотные ножи 24 размещены в продольных сквозных отверстиях 25 головной части 17б обсадной колонны и зафиксированы с помощью проволочных фиксаторов 26 (фиг. 19). После достижения скважины 5 проектной длины извлекают бурильную колонну 16а (фиг. 17) и вместо долота 18 устанавливают механизм поворота 27 ножей 24 и вводят его в обсадную колонну 17а (фиг. 18), предварительно развернув его в положение, обеспечивающее срабатывание в плоскости экранирования.
Механизм поворота 27 (фиг. 19) представляет собой две одинаковые пары 28 и 29 соединенных с помощью шарниров 30 прямоугольного сечения звеньев 31 и 32 - коротких и удлиненных соответственно. Короткие звенья 31 соединены шарнирами 33 с проушинами 34 цилиндрической головки 35, имеющей центрирующий буртик 36 и радиальный выступ 35а (шпонку) для обеспечения зацепления с продольным пазом 19а башмака 19. Длинные звенья 32 соединены шарнирами 33 с проушинами 37 цилиндрического наконечника 38, имеющего центрирующий буртик 39 и присоединительную часть 40 (под муфту бурильной колонны 16а). Проушина 37 снабжена перемычкой 41 для ограничения недопустимого встречного поворота длинных звеньев 32. При достижении цилиндрической головки 35 механизма поворота 27 башмака 19 останавливают перемещение бурильной колонны 16а и поворотом обсадной колонны 17а и подачей ее к устью обеспечивают совмещение паза 19а башмака 19 с выступом 35а. Затем подают бурильную колонну 16а в сторону забоя, она останавливается, а цилиндрический наконечник 38 продолжает движение, при этом пары 28 и 29 звеньев 31 и 32 в зоне шарниров 30 нажимают на ножи 24, входя в сквозные отверстия 25 башмака 19 обсадной колонны 17а, разрывая проволочный фиксатор 26 и поворачивая их в предрабочее положение 24б (с выходом наружу), за ход размером S (до упора проушины 37 в проушину 34).
Затем из обсадной колонны 17а (фиг. 20) извлекают бурильную колонну 16а с механизмом поворота 27. После чего в обсадную колонну 17а вводят соединенные между собой перфорированные трубы-анкеры 20а (фиг. 21). Извлекая обсадную колонну 17а из скважины 5, осуществляют щелевую разгрузку путем нарезание ножами 24 (опрокинутых до упора с башмаком 19 в рабочее положение 24в сопротивлением горного массива 4) двух сплошных щелей 42 в горном массиве 4 (фиг. 22 и 23) в плоскости экранирования, параллельной геометрическим осям 13 проектируемых горных выработок 3 и находящейся в их кровле 2. При достижении поворотных ножей 24 кондуктора 5а происходит разрушение калиброванных (на заданное срезающее усилие) их осей 24а (на чертеже не показано), что обеспечивает свободное извлечение головной части 17б обсадной колонны 17а из кондуктора 5а. После извлечения обсадной колонны 17а через перфорированные трубы-анкеры 20а с помощью тампонажного насоса (на чертеже не показан) производят нагнетание тампонажного раствора 21а в сплошные щели 42 в горном массиве 5 (фиг. 24). Смыкание всех щелей 42 в сплошную плиту представляет защитный экран 1 проектируемых горных выработок 3. При прочих равных условиях тампонирование (цементация) межскважинного пространства трещиноватых пород может увеличить шаг скважин не менее чем в 2 раза, так как согласно зависимости (2) соотношение (kmax/kmin)1/2=(1,0:0,2)1/2=2,24.
Под защитой экрана 1 (фиг. 25), например созданного при бурении скважин из вспомогательной выработки 14, осуществляют добычу руды с помощью параллельных примыкающих друг к другу очистных выработок 3 (добычных лент), проходя вначале выработки 3 нечетной нумерации (31, 33 и т.д.), т.е. с оставлением целиков, и последующей закладкой, например песчано-цементной смесью 43 (или с использованием шлаковых вяжущих и песчано-гравийных заполнителей). Затем проходят выработки 3 четной нумерации (32, 34 и т.д.), т.е. ранее оставленных целиков. Для обеспечения полноты закладки выработки 3 обычно проходят с углом наклона к горизонту в 3°. Поэтому такой наклон имеет и плоскость экранирования.
Использование предлагаемой группы изобретений позволяет создавать защитный экран с большой экранирующей поверхностью в рыхлых рудах, что обеспечивает технологическую возможность и экономическую целесообразность проходки очистных выработок в виде добычных лент.
1. Способ создания защитного экрана в кровле проектируемых горных выработок, включающий бурение в горном массиве из по крайней мере одной предварительно пройденной горной выработки параллельных скважин с помощью оснащенной породоразрушающим элементом бурильных труб под защитой обсадных труб и размещение в пробуренных скважинах труб-анкеров, отличающийся тем, что бурение скважин осуществляют из одной из двух или из двух существующих примыкающих к экранируемой зоне горных выработок, перпендикулярных или параллельных соответственно проектируемым параллельным примыкающим друг к другу очистным горным выработкам, выдерживая шаг t между параллельными геометрическими осями скважин, размер которого определяют по зависимости
,
где d - наружный диаметр тубы-анкера, м;
k - коэффициент структурного ослабления пород (k=0,1…1,0);
f - коэффициент крепости пород по шкале М.М. Протодьяконова (f=1…20);
W - момент сопротивления изгибу поперечного сечения трубы-анкера, м3;
[σ] - допустимое напряжение на изгиб материала трубы-анкера, МН/м2;
γ0 - объемный вес породы, кН/м3;
b - пролет проектируемой очистной горной выработки, м;
α - угол пересечения проекций на плоскость экранирования геометрических осей скважин и проектируемых очистных горных выработок (0≤α<90°).
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после извлечения из скважины бурильных труб в обсадные трубы вводят трубы-анкеры и затем извлекают из скважины обсадные трубы или используют в качестве труб-анкеров обсадные трубы.
3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что трубы-анкеры заполняют твердеющим составом.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при бурении скважин с промывкой и воздействии переменного гидродинамического давления на прискважинную зону промывочной жидкости с добавлением ПАВ с помощью гидравлического вибратора, установленного на бурильных трубах у породоразрушающего элемента, в качестве труб-анкеров используют перфорированные трубы и через перфорированные трубы-анкеры производят нагнетание тампонажного раствора в прискважинную зону горного массива после извлечения из скважин обсадных труб.
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при бурении скважин без промывки и использовании в качестве труб-анкеров перфорированных труб, после их размещения в обсадных трубах в каждой скважине производят щелевую разгрузку путем нарезания двух параллельных плоскости экранирования сплошных щелей двумя поворотными ножами, размещенными в продольных сквозных окнах головной части обсадных труб и выводимыми наружу механизмом поворота ножей, устанавливаемым вместо породоразрушающего элемента бурильных труб после извлечения их из обсадных труб, а после нарезания щелей через перфорированные трубы-анкеры нагнетают тампонажный раствор в прискважинную зону горного массива.
6. Способ создания защитного экрана в кровле проектируемых горных выработок, включающий бурение в горном массиве из по крайней мере одной предварительно пройденной горной выработки параллельных скважин с помощью оснащенной породоразрушающим элементом бурильных труб под защитой обсадных труб и размещение в пробуренных скважинах труб-анкеров, отличающийся тем, что в средней части экранируемой зоны проходят вспомогательную горную выработку перпендикулярно проектируемым параллельным примыкающим друг к другу очистным горным выработкам или в одном из диагональных направлений экранируемой зоны, бурение скважин осуществляют из вспомогательной горной выработки, выдерживая шаг t между параллельными геометрическими осями скважин, размер которого определяют по зависимости
где d - наружный диаметр тубы-анкера, м;
k - коэффициент структурного ослабления пород (k=0,1…1,0);
f - коэффициент крепости пород по шкале М.М. Протодьяконова (f=1…20);
W - момент сопротивления изгибу поперечного сечения трубы-анкера, м3;
[σ] - допустимое напряжение на изгиб материала трубы-анкера, МН/м2;
γ0 - объемный вес породы, кН/м3;
b - пролет проектируемой очистной горной выработки, м;
α - угол пересечения проекций на плоскость экранирования геометрических осей скважин и проектируемых очистных горных выработок (0≤α<90°).
7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что после извлечения из скважины бурильных труб в обсадные трубы вводят трубы-анкеры и затем извлекают из скважины обсадные трубы или используют в качестве труб-анкеров обсадные трубы.
8. Способ по пп. 6 и 7, отличающийся тем, что трубы-анкеры заполняют твердеющим составом.
9. Способ по п. 6, отличающийся тем, что при бурении скважин с промывкой и воздействии переменного гидродинамического давления на прискважинную зону промывочной жидкости с добавлением ПАВ с помощью гидравлического вибратора, установленного на бурильных трубах у породоразрушающего элемента, в качестве труб-анкеров используют перфорированные трубы и через перфорированные трубы-анкеры производят нагнетание тампонажного раствора в прискважинную зону горного массива после извлечения из скважин обсадных труб.
10. Способ по п. 6, отличающийся тем, что при бурении скважин без промывки и использовании в качестве труб-анкеров перфорированных труб, после их размещения в обсадных трубах в каждой скважине производят щелевую разгрузку путем нарезания двух параллельных плоскости экранирования сплошных щелей двумя поворотными ножами, размещенными в продольных сквозных окнах головной части обсадных труб и выводимыми наружу механизмом поворота ножей, устанавливаемым вместо породоразрушающего элемента бурильных труб после извлечения их из обсадных труб, а после нарезания щелей через перфорированные трубы-анкеры нагнетают тампонажный раствор в прискважинную зону горного массива.
