(13) B1 PL B1. Fig. 1 E21F 15/00 E21B 21/00

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: Urząd Patentowy (22) Data zgłoszenia: Rzeczypospolitej Polskiej (51) IntCl5: E21F 15/00 E21B 21/00 ( 5 4 ) Sposób wykonania otworów technicznych w strefach zawałowych kopalni głębinowej (54) oraz w usypiskach luźnych skał (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 04/93 (73) Uprawniony z patentu: Kopalnia Węgla Kamiennego "JASTRZĘBIE", Jastrzębie Zdrój, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 04/95 (72) Twórcy wynalazku: Stanisław Granieczny, Jastrzębie Zdrój, PL Jan Kurzydym, Jastrzębie Zdrój, PL Emil Nowak, Jastrzębie Zdrój, PL Jan Herman, Jastrzębie Zdrój, PL PL B1 Sposób wykonania otworów technicznych w (57) strefach zawałowych kopalni głębinowej oraz w usypiskach luźnych skał, zwłaszcza bezpośrednio ze sekcjami obudowy zmechanizowanej eksploatowanego wyrobiska górniczego ścianowego, znamienny tym, że cyklicznie wierci się w druzgocie skalnym (4) strefy zawałowej górotworu lub w usypiskach luźnych skał otwór wiertniczy (3) rurowym narzędziem urabiającym (2) połączonym trwale z wprowadzoną w ruch obrotowo-przesuwny kolumną rurową (1), przez którą podaje się równocześnie płuczkę na dno otworu (3a) wypychającą drobne zwierciny na zewnątrz otworu wiertniczego (3), zaś gromadzący się wewnątrz kolumny rurowej (1) urobek z okruchów skalnych (4a) tamujący przepływ płuczki oraz hamujący ruch obrotowoprzesuwny kolumny rurowej (1) zwierca się i kruszy oraz wypycha na zewnątrz otworu wiertniczego (3) przez wprowadzony cyklicznie do wnętrza kolumny rurowej (1) ruchem obrotowo-przesuwnym przewód wiertniczy (10) z narzędziem rozdrabniająco-wypychającym (11) o średnicy mniejszej od średnicy wewnętrznej rur wiertniczych (la) kolumny rurowej (1), który po osiągnięciu... Fig. 1

2 Sposób wykonania otworów technicznych w strefach zawałowych kopalni głębinowej oraz w usypiskach luźnych skał Zastrzeżenie patentowe Sposób wykonania otworów technicznych w strefach zawałowych kopalni głębinowej oraz w usypiskach luźnych skał, zwłaszcza bezpośrednio ze sekcjami obudowy zmechanizowanej eksploatowanego wyrobiska górniczego ścianowego, znamienny tym, że cyklicznie wierci się w druzgocie skalnym (4) strefy zawałowej górotworu lub w usypiskach luźnych skał otwór wiertniczy (3) rurowym narzędziem urabiającym (2) połączonym trwale z wprowadzoną w ruch obrotowoprzesuwny kolumną rurową (1), przez którą podaje się równocześnie płuczkę na dno otworu (3a) wypychającą drobne zwierciny na zewnątrz otworu wiertniczego (3), zaś gromadzący się wewnątrz kolumny rurowej (1) urobek z okruchów skalnych (4a) tamujący przepływ płuczki oraz hamujący ruch obrotowo-przesuwny kolumny rurowej (1) zwierca się i kruszy oraz wypycha na zewnątrz otworu wiertniczego (3) przez wprowadzony cyklicznie do wnętrza kolumny rurowej (1) ruchem obrotowo-przesuwnym przewód wiertniczy (10) z narzędziem rozdrabniąjąco-wypychającym (11) o średnicy mniejszej od średnicy wewnętrznej rur wiertniczych (la) kolumny rurowej (1), który po osiągnięciu końca kolumny rurowej (1) wsuwa się z powrotem, przy czym w ostatnim cyklu wiercenia otworu wiertniczego (3) po wysunięciu powrotnym przewodu wiertniczego (10) z narzędziem rozdrabniąjąco-wypychającym (11) oczyszczoną kolumnę rurową (1) pozostawia się w otworze wiertniczym (3) jako szczelny otwór techniczny w druzgocie skalnym (4) strefy zawałowej. * * * Przedmiotem wynalazku jest sposób wykonania otworów technicznych w strefach zawałowych kopalni głębinowej oraz w usypiskach luźnych skał zachowujących drożność i ciągłość otworu oraz szczelność jego ścianek w strefie bezpośredniego zawału, zwłaszcza wierconych bezpośrednio z wyrobiska górniczego ścianowego, celem przekazania przez te otwory mieszaniny zestalającej, mieszaniny podsadzkowej lub wody, zwłaszcza dla podsadzania pola pożarowego. Dotychczas brak jest odpowiednich skutecznych sposobów wykonania drożnych i ciągłych otworów technicznych w podziemiach kopalni głębinowej w strefach zawałowych. Znane dotąd technologie wykonywania otworów technicznych w podziemiach kopalń głębinowych polegają na urabianiu skał za pomocą wiertnic z udziałem płuczki mającej na celu wynoszenie zwiercin, chłodzenie narzędzia wiertniczego oraz utrzymanie ścianek wywierconego otworu przed obsypaniem, jak również zmniejszenia współczynnika tarcia przewodu wiertniczego o skałę. Znana jest z polskiego opisu patentowego nr żerdź rurowa do bezrdzeniowego wiercenia otworów geologiczno-górniczych, tworząca w połączeniu z innymi żerdziami i narzędziem wiertniczym kolumnę wiertniczą o dowolnej długości. Zgrzewane doczołowo końcówki żerdzi są zaopatrzone w występy technologiczne o zwiększającym się przekroju, przy czym płaszczyzna zgrzewania prostopadła do osi żerdzi przekrój ten przecina. Stosowanie powyższych żerdzi rurowych pozwala na usunięcie zwiercin przy pomocy przepłuczki lub przedmuchu powietrzem. Niedogodnością powyższej konstrukcji żerdzi rurowej jest zbyt krótka żywotność eksploatacyjna, z uwagi na przedwczesne zniszczenie żerdzi rurowej w miejscach łączenia, jak również brak możliwości utrzymania ścianek otworu wiertniczego przy przewiercaniu zrobów w strefie zawałowej. Znane są z polskich opisów patentowych nr i nr rury płuczkowo-powietrzne do wierceń hydrogeologicznych, składające się z rury płuczkowej z przyspawanymi na zewnątrz wzdłuż jej powierzchni bocznej przewodami powietrznymi oraz u góry z mufą i u dołu z czopem. Mufa i czop mają odpowiednie wycisnkowe wybrania i pionowe kanały, które po skręceniu poszczególnych odcinków rur łączą przewody powietrzne zewnętrzne. W związku z tym powietrze przepływa przez boczne rurki oraz przez część gwintowaną mufy i czopa. Pogarsza to jakość

3 połączenia gwintowego oraz utrudnia ze względu na karby i krawędzie poprzeczne na nitkach gwintu jego skręcanie i rozkręcanie. Ponadto w rozwiązaniach tych przekrój całego przewodu jest niekołowy, co jest spowodowane przyspawaniem do bocznych ścian rurek powietrznych. Uniemożliwia to prowadzenie prawidłowego procesu wiercenia, ze względu na tarcie i obijanie rurek powietrznych o ściany boczne otworu, powodujące obwały i sypanie ze ścian i w konsekwencji awarie wiertnicze. Znana jest również z polskiego opisu patentowego nr rura płuczkowo-powietrzna do wierceń hydrogeologicznych, zawierająca rurę zewnętrzną zakończoną wyprofilowanymi tulejami, w której zamocowana jest trwale wewnętrzna rura zakończona czopem i mufą. Tuleje mają wewnętrzne podtoczenie, a mufa i czop mają zewnętrzne rowki tworzące wraz z przestrzenią pomiędzy rurą wewnętrzną i zewnętrzną kanał do przepływu powietrza. Dzięki takiej konstrukcji uzyskano gładki kołowy przekrój rury płuczkowo-powietrznej, co umożliwia swobodny wypływ płuczki wraz z urobkiem pomiędzy ścianą boczną otworu wiertniczego a rurą płuczkowopowietrzną, lecz nie zapewnia utrzymania ścianek otworu wiertniczego przy wierceniu w strefie zawałowej. Znany jest także ze zgłoszenia wynalazku do ochrony patentowej nr P sposób i urządzenie do drążenia wyrobisk górniczych. Powyższy sposób polega na tym, że w czasie wiercenia otworu do jego dna doprowadza się wodę pod ciśnieniem drogą niezależną od żerdzi wiertniczej oraz powietrze sprężone. Na dnie otworu miesza się je ze sobą dla uzyskania ruchu turbulentnego wody wynoszącej zwierciny z dna na zewnątrz otworu. Urządzenie do drążenia ma półrurkę osadzoną na żerdzi wiertniczej. Półrurka ta ma u dołu i u góry zamocowane pierścienie. Powyższy sposób wraz z urządzeniem nie jest przydatny do wykonania trwałych i drożnych otworów wiertniczych w strefie zawałowej i nie zapewnia utrzymania się ścianek otworów wiertniczych. Również nie znalazł zastosowania do wykonania trwałych otworów wiertniczych w strefie zawałowej kopalni głębinowej znany ze zgłoszenia wynalazku do ochrony patentowej nr P sposób wykonywania otworu wiertniczego w utworach geologicznych o zdepresjonowanym zwierciadle wód złożonych. Polega on na tym, że wiercenie otworu prowadzi się w sposób ciągły przez wszystkie partie nadkładu złoża świdrem o jednakowej średnicy. W czasie wiercenia płuczkę wiertniczą dobiera się tak, aby przez okres wierceń miała stałą gęstość. Dobieranie określonych parametrów płuczki w zależności od utworów geologicznych realizuje się bezpośrednio na wiertni przez dodawanie odpowiednich komponentów. Po wywierceniu otworu zapuszcza się kolumnę rur technicznych od powierzchni terenu do stropu serii złożonej, z pominięciem kolumny rur okładzinowych. Nie dały także pozytywnych rezultatów próby przystosowania do wykonania trwałych otworów wiertniczych w strefie zawałowej znanego ze zgłoszenia wynalazku do ochrony patentowej nr P sposobu stabilizowania struktury skalnej i stabilizatora skalnego. Zgodnie z tym sposobem wierci się otwór skalny, do którego wprowadza się rurowy stabilizator z rozszerzalnym korpusem poddanym działaniu ciśnieniowego czynnika cieczowego. Następnie po elastycznym zakotwieniu stabilizatora za pośrednictwem rozszerzenia jego obwodu obniża się ciśnienie czynnika i wyjmuje się korpus, pozostawiając w otworze zakotwiony stabilizator. Powyższy stabilizator skalny zawiera wydłużoną rurową część kotwiącą w kształcie pierścienia i ma połączoną z częścią korpusową otwartą część wylotową stanowiącą otwór prowadzący do niej. Tymczasem wykonanie trwałych i drożnych otworów wiertniczych do zrobów w strefie zawałowej bezpośrednio z eksploatowanego wyrobiska górniczego ścianowego z utrzymaniem ścianek otworu wiertniczego ma poważne znaczenie szczególnie w kopalniach głębinowych z zagrożeniem metanowym, ponieważ umożliwiałoby odizolowanie zrobów, wykonanie pomiarów głazów w strefie zawałowej, jak również przesyłanie do tych zrobów mieszaniny podsadzkowej. Natomiast stan ścianek otworu wykonanego dotychczas znanymi sposobami i urządzeniami jest w strefie zrobów nieznany, ponieważ otwór ten jest do wiercony zazwyczaj do pustek lub spękań górotworu i w zasadzie nie sięga do strefy zawału bezpośredniego. Przewiercenie strefy zrobów jest możliwe po scaleniu strefy zawału bezpośredniego przez wtłaczanie do niej podsadzki z mieszaniną zestalającą z zapewnieniem uzyskania osi otworu wiertniczego w płaszczyźnie zbliżonej do prostopadłej do zalegania zrobów. Dotychczas takie otwory wiertnicze były wykonywane z wyrobisk

4 nadległych lub wyrobisk podległych, lecz nie zapewniały żądanej szczelności i przekroju otworu wiertniczego, co utrudniało znacznie podsadzanie wyrobisk górniczych w strefie zawałowej szczególnie w czasie prowadzenia akcji przeciwpożarowej. Powyższe niedogodności wykonania otworów podsadzkowych z nadległych wyrobisk górniczych dla podsadzania pola pożarowego wymusza konieczność podsadzania całego pola pożarowego łącznie z wszystkimi urządzeniami technicznymi wyrobiska górniczego ścianowego oraz części przyległych wyrobisk górniczych. Celem wynalazku jest wyeliminowanie powyższych niedogodności i opracowanie takiego sposobu wiercenia i utrzymania ciągłości otworu wiertniczego w strefie zawałowej, zwłaszcza bezpośrednio za sekcjami obudowy zmechanizowanej z eksploatowanego wyrobiska górniczego ścianowego w podziemiach kopalni głębinowej, z zapewnieniem drożności i stałego przekroju oraz szczelności ścianek wierconego otworu koniecznego dla prowadzenia przez ten otwór wiertniczy różnych operacji technicznych, jak odmetanowanie zrobów, wykonanie pomiarów w strefie zawałowej, przekazanie do zrobów mieszaniny zestalającej, mieszaniny podsadzkowej lub wody, zwłaszcza dla podsadzania pola pożarowego. Cel ten został osiągnięty przez wynalazek nowego sposobu wykonania otworów technicznych w strefach zawałowych kopalni głębinowej oraz w usypiskach luźnych skał, zwłaszcza bezpośrednio za sekcjami obudowy zmechanizowanej eksploatowanego wyrobiska górniczego ścianowego. Zgodnie z wynalazkiem cyklicznie wierci się w druzgocie skalnym strefy zawałowej górotworu lub w usypiskach luźnych skał otwór wiertniczy rurowym narzędziem urabiającym połączonym trwale z wprowadzoną w ruch obrotowo-przesuwny kolumną rurową, przez którą podaje się równocześnie płuczkę na dno otworu wypychającą drobne zwierciny na zewnątrz otworu wiertniczego. Gromadzący się wewnątrz kolumny rurowej urobek z okruchów skalnych tamujący przepływ płuczki oraz hamujący ruch obrotowo-przesuwny kolumny rurowej zwierca się i kruszy oraz wypycha na zewnątrz otworu wiertniczego przez wprowadzony cyklicznie do wnętrza kolumny rurowej ruchem obrotowo-przesuwnym przewód wiertniczy z narzędziem rozdrabniającowypychającym o średnicy mniejszej od średnicy wewnętrznej łączonych podobnie rur wiertniczych kolumny rurowej, który po osiągnięciu końca kolumny rurowej wysuwa się z powrotem. W ostatnim cyklu wiercenia otworu wiertniczego po wysunięciu przewodu wiertniczego z narzędziem rozdrabniająco-wypychającym oczyszczoną kolumnę rurową pozostawia się w otworze wiertniczym jako szczelny i drożny otwór techniczny w druzgocie skalnym strefy zawałowej. Zastosowanie sposobu wykonywania otworów technicznych według wynalazku umożliwia ciągłe wiercenie cyklami i utrzymanie drożności oraz ciągłości otworu wiertniczego w druzgocie skalnym w strefie zawałowej górotworu lub w usypiskach luźnych skał na powierzchni. Celowe wprowadzenie kolumny rurowej z rurowym narzędziem urabiającym napędzaną ruchem obrotowoprzesuwnym z równocześnie prowadzoną przez tę kolumnę rurową płuczką pozwala na bezawaryjne prowadzenie wiercenia otworu wiertniczego, zwłaszcza w strefie bezpośredniego zawału. Natomiast cykliczne wprowadzenie do wnętrza kolumny rurowej ruchem obrotowo-przesuwnym przewodu wiertniczego z narzędziem rozdrabniająco-wypychającym umożliwia zwiercenie i kruszenie oraz wypchnięcie na zewnątrz otworu wiertniczego gromadzący się wewnątrz kolumny rurowej urobek z okruchów skalnych tamujący przepływ płuczki oraz hamujący ruch obrotowoprzesuwny kolumny rurowej z rurowym narzędziem urabiającym. Pozostawiona w wywierconym cyklicznie otworze wiertniczym żądanej długości kolumna rurowa służy jako w pełni drożny i szczelny otwór techniczny w druzgocie skalnym strefy zawałowej górotworu, całkowicie przydatny dla prowadzenia różnych operacji technicznych, a w szczególności odmetanowanie zrobów, wykonanie pomiarów w strefie zawałowej, przetaczanie do zrobów mieszaniny zestalającej lub mieszaniny podsadzkowej, jak również wody, zwłaszcza w przypadku podsadzania pola pożarowego. Po wykonaniu tych operacji kolumna rurowa może być w każdej chwili wykorzystana do przedłużenia otworu wiertniczego, dla zwiększenia strefy pomiarów lub podsadzania zrobów. Przedmiot wynalazku jest zilustrowany w przykładowym wykonaniu na rysunkach, na których fig. 1 przedstawia schematycznie sposób wykonania otworów technicznych w strefie zawałowej górotworu z eksploatowanego wyrobiska górniczego ścianowego z obudową zmechanizowaną oraz z wyrobiska górniczego chodnikowego nadścianowego, fig. 2 przedstawia końcowy odcinek

5 kolumny rurowej z rurowym narzędziem urabiającym wykonującym otwór wiertniczy w druzgocie skalnym w strefie zawałowej górotworu w widoku z boku z częściowym wykrojem, fig. 3 przedstawia powyższy końcowy odcinek kolumny rurowej z rurowym narzędziem urabiającym w druzgocie skalnym w strefie zawałowej górotworu z umieszczonym wewnątrz przewodem wiertniczym z narzędziem rozdrabniająco-wypychającym w widoku z boku z częściowym wykrojem, natomiast fig. 4 przedstawia schematycznie sposób przedłużania otworu wiertniczego dla zwiększenia strefy pomiarów lub podsadzania zrobów w przekroju bocznym górotworu. Sposób wykonywania otworów technicznych według wynalazku jest zrealizowany przez kolumnę rurową 1 z łączonymi kolejno posobnie rurami wiertniczymi 1a, a zakończoną rurowym narzędziem urabiającym 2 wykonującym otwór wiertniczy 3 w druzgocie skalnym 4 strefy zawałowej górotworu z pomiędzy sekcji obudowy zmechanizowanej 5 lub nad nimi w eksploatowanym wyrobisku górniczym ścianowym 6, względnie z wyrobiska górniczego chodnikowego nadścianowego 7. Do napędzanej ruchem obrotowo-przesuwnym przez agregat wiertniczy 8 kolumny rurowej 1 jest wtłaczana płuczka poprzez głowicę płuczkową 9. Do wnętrza kolumny rurowej 1 jest wprowadzany cyklicznie przewód wiertniczy 10 z narzędziem rozdrabniająco-wypychającym 11 okruchy skalne 4a, napędzany ruchem obrotowo-przesuwnym przez agregat wiertniczy 8. Przewód wiertniczy 10 z narzędziem rozdrabniająco-wypychającym 11 ma średnicę mniejszą niż średnica wewnętrzna łączonych posobnie rur wiertniczych la kolumny rurowej 1. Zgodnie z wynalazkiem otwory techniczne wykonuje się cyklami w druzgocie skalnym 4 strefy zawałowej górotworu przez wiercenie otworu wiertniczego 3 rurowym narzędziem urabiającym 2 połączonym trwale z kolumną rurową 1 napędzaną ruchem obrotowo-posuwnym przez agregat wiertniczy 8 umieszczony we wnęce 6a eksploatowanego wyrobiska górniczego ścianowego 6 lub w wyrobisku górniczym chodnikowym nadścianowym 7. Kolumna rurowa 1 stanowi równocześnie ściankę uszczelniającą otworu wiertniczego 3 do wtłaczania płuczki na dno otworu 3a przez głowicę płuczkową 9. Druzgot skalny 4 w strefie zawałowej górotworu jest urabiany częściowo przez rurowe narzędzie urabiające 2 przy wykonywaniu otworu wiertniczego 3, zaś częściowo w postaci okruchów skalnych 4a jest nabierany do kolumny rurowej 1, powodując opory dla przepływu płuczki oraz opory wiercenia rurowym narzędziem urabiającym, stanowiąc sygnał dla zatrzymania agregatu wiertniczego 8 i wprowadzenia do kolumny rurowej 1 przewodu wiertniczego 10 z narzędziem rozdrabniająco-wypychającym 11 napędzanym ruchem obrotowo-przesuwnym przez agregat wiertniczy 8. Narzędzie rozdrabniająco-wypychające 11 zwierca i kruszy zgromadzony w kolumnie rurowej 1 urobek z okruchów skalnych 4, a jednocześnie przesuwając się wypycha go na zewnątrz otworu wiertniczego 3. Po przesunięciu przewodu wiertniczego 10 z narzędziem rozdrabniająco-wypychającym 11 do końca kolumny rurowej 1 i usunięciu w ten sposób z niej zbędnego urobku okruchów skalnych 4a zatrzymuje się agregat wiertniczy 8 i wysuwa się powrotnie z kolumny rurowej 1 przewód wiertniczy 10 z narzędziem rozdrabniająco-wypychającym 11. Powyższy cykl wiercenia otworu wiertniczego 3 rurowym narzędziem urabiającym 2 z kolumną rurową 1 w gruzowisku skalnym 4 strefy zawałowej górotworu oraz czyszczenia tej kolumny rurowej 1 wprowadzonym do niej przewodem wiertniczym 10 z narzędziem rozdrabniającowypychającym 11 powtarza się wielokrotnie do chwili uzyskania żądanej długości otworu wiertniczego 3, zaś oczyszczoną kolumnę rurową 1 pozostawia się w otworze wiertniczym 3 jako szczelny i drożny o jednakowej średnicy otwór techniczny w druzgocie skalnym 4 strefy zawałowej górotworu dla prowadzenia różnych operacji technicznych, jak wykonywanie pomiarów w strefie zawałowej, odmetanowanie zrobów, przetaczanie do zrobów mieszaniny podsadzkowej, mieszaniny zestalającej względnie wody, jak również prowadzenia podsadzania pola pożarowego. Bezpośrednio z eksploatowanego wyrobiska górniczego ścianowego 6 wykonuje się otwory wiertnicze 3 ponad sekcjami obudowy zmechanizowanej 5 lub otwory wiertnicze 3b pomiędzy sekcjami obudowy zmechanizowanej 5, względnie dla celów przeciwpożarowych skośne otwory wiertnicze 3c dodatkowe dla intensyfikacji podsadzania pola pożarowego. Po wykonaniu operacji badawczych i podsadzkowych w jednej strefie zawałowej A przez otwory techniczne wykonane przez kolumny rurowe 1 w otworach wiertniczych 3 można te kolumny rurowe 1 ponownie wykorzystać do przedłużenia otworu wiertniczego 3 dla wykonania otworu technicznego do badania i/lub podsadzania dalszej strefy zawałowej B.

6 Fig. 2 Fig.3

7 Fig. 4

8 Fig. 1 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 1,00 zł.