Обгрунтування параметрів сталевого кріплення при бурінні шахтних вертикальних стволів

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%.

 

 

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.

 

 

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.

 

 

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.

 

 

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.