CC BY
99
УДК 622.807 Д.Ю. Овчинников
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПЫЛЕПОДАВЛЕНИЯПРИ БУРЕНИИ РАЗВЕДОЧНОЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СКВАЖИН В УСЛОВИЯХ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУР
Проведен анализ способов улавливания тонкодисперсной пыли при бурении скважин в условиях отрицательных температур. Описана схема распределения температурных потоков при бурении скважин в условиях отрицательных температур атмосферного воздуха и определена область применения усовершенствованной технологии пылеподавления.
Ключевые слова: пылеподавление, массив горных пород, осаждение пыли, бурении скважин.
~П массиве горных пород с глубиной при отрицательных
-Я-М температурах на поверхности (от -1° до -50 °С) наблюдается наличие слоя промерзания, мощность которого в зависимости от географического местоположения изменяется от 0,2 до 3-4 м [1]. Температура горных пород в пределах слоя будет определяться атмосферными условиями. Ниже, на глубину 25-40 метров температура определяется среднегодовой температурой атмосферного воздуха в географическом месте (или этот слой классифицируется как нейтральный). Ниже нейтрального слоя, также в соответствии с данными приведенными в [2], изменение температуры с глубиной определяется температурным градиентом для конкретных горных пород в конкретной географической точке и величина которого изменяется от 0,8 до 12 °С на каждые 100 метров глубины. Помимо этого, в некоторых областях земного шара наблюдается также наличие зон вечной мерзлоты [1], которая начинается с поверхности массива и распространяется вглубь на 300 - 500 м и температура в нем с глубиной изменяется по другим законам от -1° до -12 °С. Причем, температура пород в приповерхностном слое, сравнимым по величине со слоем промерзания (на глубину 0,5-1,5 м), определяется атмосферными условиями на поверхности, т.е. изменяется от +20° до -50 °С.
В реальных условиях бурения разведочно-эксплуатацион-ных скважин на территории России (от центральных Европейских об-
ластей до районов крайнего Севера) вышеуказанные изменения температуры необходимо учитывать при решении вопросов пыле-подавления при бурении. Особенностью влияния низких температур на процесс улавливания пыли является невозможность использования обычных способов пылеподавления, рекомендуемых при положительных температурах атмосферного воздуха. Поэтому при разработке устройств пылеподавления при бурении в зонах отрицательных температур атмосферного воздуха необходимо принимать во внимание вышеотмеченные особенности. В зависимости от распределения температуры в массиве г. п. можно выделить три часто встречающихся случая при бурении в условиях отрицательных температур атмосферного воздуха:
- с наличием слоя промерзания при отрицательной температуре и положительной
- за пределами слоя при углублении (Центральная Россия);
- в криолитовой зоне при бурении с поверхности (Северные районы);
- непосредственно в криолитовой зоне (буровые работы при проходке подземных горных выработок).
В настоящее время для снижения пылеобразования при бурении разведочно-эксплуатационных скважин в условиях отрицательных температур чаще всего применяется схема с пылеотсосом, когда буровой шлам из шпура или скважины не выбрасывается в атмосферу, а направляется в устройство для осаждения пыли. При этом возможно использование следующих способов пылеподавле-ния широко известных в практике бурения. Гравитационного способа (применяется при проходке горных выработок в подземных условиях, когда буровой шлам и пыль направляются в герметичные горные выработки или камеры), гидрообеспыливания водой с антифризом, барботажный способ (с добавлением в раствор пенообразователя). К недостаткам первого способа относится невозможность обеспечения полной герметичности камер осаждения и наблюдается вынос тонкодисперсной пыли в горные выработки, а также вынос части удаляемого шлама из шпура в забой выработки из-за неплотного контакта колпака с забоем для пылеотсоса. К недостаткам второго способа относится загрязнение окружающей среды раствором содержащим антифриз, который в дальнейшем расслаивается и в забое образуются наледи, ведущие к травматизму рабочих и вторичному смерзанию разрушенных горных пород. По-
следний способ разработан и рекомендован к использованию Тара-новым А.Т. [3] при пылеподавлении в процессе бурения шпуров, но в основном для положительных температур, а для отрицательных температур исследования автором не проводились.
Проведенный нами анализ литературных данных позволяет сделать вывод о том, что ни один из вышеперечисленных способов в условиях отрицательных температур не обеспечивает санитарные нормы запыленности рабочего пространства. Способы характеризуются низким коэффициентом пылеулавливания (не более 6070%), особенно для тонкодисперсных фракций пыли (менее 5 мкм).
В настоящее время на практике применяются следующие способы улавливания тонкодисперсной пыли - тканевые фильтры, электрофильтры, воздушно-механическая пена. Но первые из упомянутых для условий отрицательных температур неприемлемы из-за обмерзания, а последний, применяемый при бурении с подачей промывочной жидкости на забой с пенообразователем и антифризом, является дорогим и препятствует удалению шлама из скважины за счет «засаливания» или налипания последнего на буровой став и стенки скважины.
При шарошечном бурении скважин для пылеудаления, в основном, применяется 3-х ступенчатая схема очистки [4], когда воздух выходящий из скважины освобождается от крупных фракций под колпаком пылеотсоса в пылеосадительной камере, а мелкие фракции направляются в циклон, где происходит осаждение грубо, средне- и части мелкодисперсных фракции пыли. Для улавливания тонкодисперсных фракций при положительных температурах используются различные типы тканевых фильтров или электрофильтры. Но последние в условиях отрицательных температур не работают из-за обмерзания. В конечном итоге это приводит к легочным профессиональным заболеваниям горняков (пневмосиликозам), особенно при бурении силикозоопасных кварцсодержащих пород.
При бурении скважин в условиях отрицательных температур атмосферного воздуха схема распределения температурных потоков, в соответствии с литературными и нашими экспериментальными данными, выглядит следующим образом.
Компрессор бурового станка забирает атмосферный воздух при температуре от 0° до-50 °С и за счет сжатия до 0,4-0,8 МПа, воздух нагревается по отношению к температуре атмосферного
воздуха ориентировочно на 40-60 градусов, после чего температура воздуха на выходе из компрессора составляет -10° +40 °С. Далее, воздух подается в буровой став, нагревает его и затем расширяясь выходит через сопла бурового долота, при этом в соответствии с данными [5] температура его изменяется в зависимости от параметров става, температуры нагрева его внешней поверхности, которая в свою очередь зависит от условий бурения или температуры массива горных пород. При бурении горных пород шарошкой на забое слой породы разогревается до +800 °С, а сама шарошка разогревается до +40-60 °С. Разогретые частицы разрушенной горной породы за счет продувки сжатым воздухом, выходящего из сопел бурового долота, выносятся из скважины по каналу между буровым ставом и стенкой скважины. Изменение температуры восходящего потока воздуха и шлама будет определяться величиной зазора между буровым ставом и скважиной, длиной скважины, соотношением площади выхлопных отверстий в буровом долоте к площади внешнего кольцевого зазора в скважине, а также температурой поверхности скважины.
Необходимо отметить, что температура потока загрязненного воздуха на выходе из скважины в зависимости от условий бурения при отрицательных температурах атмосферного воздуха (в соответствии с полученными нами экспериментальными данными при шарошечном бурении в зимнее время на Урале) будет положительной от 0° до +25-30 °С, либо отрицательной от - 2 ° до -12 °С (в условиях вечной мерзлоты). Т.е. температура воздушного потока на выходе из скважины составит +30° - (-12 °С). Но учитывая отрицательную температуру атмосферного воздуха температура отходящего из скважины потока может дополнительно понизиться (при прохождении через мультициклон, за счет подсоса холодного воздуха из атмосферы в месте установки колпака для пылеотсоса) на 5-10 °С. Окончательная температура потока воздуха подаваемого на устройство для мокрого пылеподавления будет составлять +20° - (-20 °С).
При положительных температурах применение воздушномеханической пены является эффективным для удаления тонко дисперсных фракций. Поэтому вышеупомянутый способ нами был взят за основу и усовершенствован применительно к отрицательным температурам массива и атмосферного воздуха [6]. Вначале из потока бурового шлама из скважины вместе с пылью удалялись крупные фракции известным способом [4] в пылеосадительной ка-
мере у устья скважины. Затем поток направлялся в циклон для удаления грубо-, средне- и частично мелкодисперсных фракций пыли, после чего загрязненный воздух с тангенциальным ускорением и большим содержанием мелко- и тонкодисперсных фракций пыли подавался на поверхность водного раствора (с антифризом и пенообразователем). Окончательное улавливание оставшейся в потоке пыли осуществлялось на специальных сетках, которые способствовали образованию ВМП (по аналогии работы пеногенера-торов). При этом наблюдаемый в экспериментах коэффициент пылеулавливания для тонкодисперсных фракций достигал 99% и обеспечивались санитарные нормы по пыли в воздухе на выходе из пылеосадительного тракта бурового станка (менее 3 мг/м3).
Полученные нами результаты экспериментов по пылеподавле-нию при бурении в условиях отрицательных температур позволили определить область применения разработанного нами способа применительно к российским условиям.
1. Бурение скважин при отрицательной температуре атмосферного воздуха с наличием слоя промерзания в массиве горных пород и положительной температуре г.п. ниже слоя промерзания.
2. При бурении в криолитовой зоне возможно два случая, когда горные породы устойчивы и неустойчивы. В первом случае в скважину можно направить воздух после компрессора с положительной температурой и после выхода из скважины воздушный поток может охладится до +12° -(-5 °С), а за счет дополнительного охлаждения в циклоне температура воздуха на входе в пылеулавливающее устройство составит +5° -(-10 °С).
Во втором случае, при бурении в неустойчивых горных породах в криолитовой зоне(пески, мерзлые грунты) воздух для продувки, в соответствии с технологией бурения для предотвращения обвала стенок в скважине, нужно охлаждать до температуры ниже -(1-2) °С. Температура воздуха на выходе будет равна температуре массива горной породы в скважине и после циклона температура опустится -(10-15) °С.
К, % СТ, эрг/см2
Влияние концентрации пенообразователя (Сп.о.) с антифризной добавкой (полигликоль - 10%) и поверхностного натяжения раствора (а) на коэффициент пылеулавливания
3. При бурении шпуров в процессе проходке подземных горных выработок в криолитовой зоне (устойчивые горные породы) температура отходящего воздуха из шпура будет сравнима с температурой характерной для первой схемы (устойчивые породы), с поправкой на охлаждение сжатого воздуха подаваемого в забой по трубопроводу значительной длины в условиях атмосферного воздуха выработки -(2-10) °С охлаждается до этих величин или незначительно выше.
Для подтверждения данных о температуре воздуха выходящего из скважины с буровым шламом, нами на Лебединском ГОКе были проведены натурные измерения, которые показали, что температура воздуха на выходе из компрессора (при температуре атмосферного воздуха равной -5 °С) доходит до +60 °С. На выходе из скважины температура изменятся от +35° до +50 °С. При подаче в скважину воздуха с водой (температура воды +4 °С) температура воздушного потока на выходе из скважины будет изменятся от +17° до +33 °С при глубине скважины до 16 метров.
Таким образом температура загрязненного воздуха подаваемого в пылеулавливающую установку предлагаемой нами конструкции будет изменятся от +30-40° до -20 °С и поэтому растворы для мокрого пылеулавливания должны содержать ан-тифризные добавки, обеспечивающие не замерзание при выше-установленных температурах. С учетом [6] можно утверждать, что при вышеуказанных температурах раствора его поверхно-
стное натяжение будет изменяться от 15-30 эрг/см2 до (при температуре +30 °С) до 40-45 эрг/см2 (при температуре -2 °С)
На рисунке представлены результаты проведенных нами полигонных экспериментов по улавливанию тонко-дисперсной пыли при температуре окружающей среды -20 °С с использованием мокрого пенного пылеуловителя.. Коэффициент пылеулавливания изменяется от 90 до 99% (соответственно, для тонкодисперсной гидрофобной (Н) и гидрофильной пыли (К) при изменении концентрации пенообразователя Спо (КЧНР-контакт черный, нейтральный) от 0 до 0,4 %. Предлагаемая нами конструкция установки обеспечит санитарные нормы запыленности воздуха вблизи бурового станка.
----------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Дахнов В.Н., Дьяконов Д.И. Термические исследования скважин. М., 1952 г., с. 97-112.
2. Кудряшов ББ, Яковлев А.М. Бурение скважин в мерзлых породах, М., Недра, 1983 г., с.57-62.
3. Таранов А.Т. Исследование и совершенствование средств и способов пылеподавления в условиях рудника им. А. Матросова. Дис., канд. тех. наук. М. 1971, с.160
4. Кутузов Б.Н., Михеев И.Г. Пневмотранспортные и обеспыливающие системы буровых станков. М, Недра, 1970 - с. 199-205.
5. Кудряшов Б.Б., Кирсанов А.И. Бурение разведочных скважин с применением воздуха. М, Недра,1990-с.57-60.
6. Овчинников Д.Ю., Иляхин С.В. Исследование пылеулавливающей способности пенного пылеуловителя. // Горный информационноаналитический бюллетень. М, МГГУ, 2008, вып. 5,- с. 179-184.
Ovchinnikov D. J.
PERFECTION OF DUST CATCHING TECHNOLOGY WHEN DRILLING EXPLORATORY-OPERATIONAL HOLES IN THE CONDITIONS OF NEGATIVE TEMPERATURES
The analysis of ways of fine dust catching at holes drilling in the conditions of negative temperatures is carried out. The scheme of temperature streams distribution at holes drilling in the conditions of negative temperatures of atmospheric air is described and the area of advanced technology of dust catching application is defined.
Key words: dust catching, rocks massif, dust sedimentation, holes drilling.
— Коротко об авторе ------------------------
Овчинников Д.Ю. - инженер, соискатель РГГРУ
