СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД Российский патент 1998 года по МПК E21D1/16 E21D11/10 

Изобретение относится к горному делу, а именно к последующему инъекционному упрочнению трещиноватых горных пород цементацией вокруг выработок с обнаженной поверхностью.

Известен способ последующего упрочнения горных пород цементацией вокруг выработки с нанесением по ее периметру сплошного изолирующего покрытия и последующим нагнетанием цементного раствора в трещины через пробуренные скважины (Заславский Ю.З., Лопухин Е.А. и др. Инъекционное упрочнение горных пород. - М.: Недра, 1984, с. 162). Данный способ позволяет исключить потери цементного раствора, вследствие его излива на поверхность выработки по трещинам в процессе цементации. Однако нанесение сплошного изолирующего покрытия на поверхность выработки препятствует отфильтровыванию жидкой фазы цементного раствора (воды) из трещин в выработку, что ухудшает качество тампонажного камня и, следовательно, упрочнения в целом.

Известен другой способ цементации, в котором перед нагнетанием цементного раствора в скважину предварительно нагнетают воду, фиксируют места интенсивного выхода воды на поверхность выработки и производят нанесение изолирующего покрытия только на отмеченные участки (см. авт. свид. СССР N 1537818, кл. E 21 D 11/10, 1990). Данный способ позволяет повысить качество заполнения трещин цементным осадком за счет отфильтровывания жидкой фазы раствора из трещин непосредственно в выработку и снизить стоимость крепления выработки за счет сокращения расхода изоляционного материала.

Недостаток этого способа заключается в том, что при нагнетании нестабильных (седиментирующих) цементных растворов (цементно-водное массовое отношение Ц : В 1 : 1) способом с постоянным расходом качественной цементации трещин получить практически невозможно, так как над цементным осадком в трещине в данном случае всегда остается зазор, по которому раствор проникает в глубь трещины в процессе цементации и, следовательно, после окончания нагнетания трещины оказываются заполнены цементным осадком лишь частично (см., например, Дуда Е.Г. Выбор способа нагнетания при цементации трещиноватых горных пород. - Шахтное строительство, 1979, N 9, с. 15-19).

Для качественной цементации трещин при нагнетании нестабильных цементных растворов рекомендуется применять нагнетание способом с постоянным давлением. Однако данный способ более трудоемкий, требует специального оборудования, особо прочных абразивостойких кранов, что ограничивает его практическое применение.

Нагнетание в трещины приконтурного массива пород стабильных цементных растворов (Ц : В 1 : 0,5) не позволяет произвести цементацию всех трещин, поскольку эти растворы, имея высокую вязкость, плохо проникают в тонкие, обладающие значительным гиродинамическим сопротивлением, трещины.

Цель изобретения - повышение качества последующего упрочнения горных пород цементацией за счет обеспечения полного заполнения трещин цементным осадком при нагнетании нестабильных цементных растворов с постоянным расходом.

Поставленная цель достигается тем, что в способе упрочнения горных пород, включающем бурение по периметру выработки скважин, нагнетание в них воды, фиксацию участков с интенсивным выходом воды на поверхность выработки, нанесение изолирующего покрытия на отмеченные участки и нагнетание в скважину с постоянным расходом нестабильного цементного раствора, по окончании первого нагнетания сразу после падения давления в скважине приступают ко второму нагнетанию раствора в данную скважину.

При этом при первом нагнетании величину расхода раствора в скважину устанавливают такой, чтобы седиментация цементных частиц в трещинах начиналась на удалении от их устьев, равном радиусу скважины, а при втором нагнетании - чтобы седиментация цементных частиц началась непосредственно от устьев трещин.

Причем подачу раствора в скважину при первом и втором нагнетаниях прекращают в момент наступления излива из трещин на поверхность выработки.

Сущность изобретения состоит в том, что для цементации зазора, остающегося над цементным осадком в каждой трещине после ее цементации нестабильными цементными растворами с постоянным расходом, в технологию цементации вводится дополнительное действие - повторное нагнетание раствора в трещины. При этом для того чтобы после первого нагнетания устья трещины не оказались закольматированы цементными частицами, а после второго нагнетания, наоборот, плотно заполнены ими, вводится второе действие - установка строго фиксированных значений расходов раствора в скважину, обеспечивающих при первом нагнетании седиментацию цементных частиц в трещинах на удалении от их устьев, равном радиусу скважины (чтобы при последующем нагнетании раствор мог проникнуть в устья трещин), а при втором нагнетании - непосредственно от устьев трещин. Для того чтобы раствор, находящийся в скважине, после окончания первого нагнетания не закольматировал устья вскрытых скважиной трещин, вводится дополнительное условие: повторное нагнетание раствора производится сразу после падения давления в скважине. При этом окончание первого и второго нагнетаний определяется путем введения еще одного дополнительного действия: визуального фиксирования момента излива раствора на поверхность выработки.

В технической литературе не содержится сведений о способе упрочнения горных пород, в которых нагнетания нестабильного цементного раствора в скважину производят два раза, до начала излива раствора в выработку, устанавливая строго фиксированные значения величин расходов раствора в скважину, обеспечивающих: при первом нагнетании седиментацию цементных частиц на удалении от устьев трещин, равном радиусу скважины, а при втором нагнетании - непосредственно от устьев трещин.

Возможность достижения положительного эффекта обусловлена тем, что предлагаемый способ позволяет повысить качество упрочнения горных пород вокруг выработки и, следовательно, применить для ее крепления дешевые облегченные виды крепей при обеспечении требуемой несущей способности системы крепь - упрочненный горный массив. Введение дополнительной операции - повторное нагнетание раствора в скважину - не увеличивает трудоемкости способа в целом, так как для повторного нагнетания не требуется монтировать нагнетательную линию, вставлять в скважину инъектор, промывать скважину и т.п., а затраты времени и объем закачиваемого раствора в скважину при втором нагнетании крайне незначительны.

Изобретение реализуется следующим образом. Перед производством цементационных работ, на основе известных гидрогеологических и геофизических методов исследования для подлежащих цементации трещиноватых горных пород определяют среднее раскрытие трещин δ₀ , коэффициенты трещиноватости m_о, проницаемости k_о и увеличения раскрытия трещин под действием избыточного в них давления β (например, δ₀= 3,0•10^-3M, m_о = 0,03, k_о = 2,23 • 10^-12 М², β = 0,1 МПа^-1). По известным рекомендациям определяют радиус цементационной скважины R_ск, глубину скважины L, концентрацию цементного раствора (Ц : В), конечное давление нагнетания раствора P для достижения требуемого радиуса его распространения от скважины R (см. , например, Хямяляйнен В.А., Бурков Ю.В., Сыркин П. С. Формирование цементационных завес вокруг капитальных горных выработок. - М. : Недра, 1994, 400 с.). Для рассматриваемого примера R_ск = 0,0215 м, L = 5,0 м, (Ц : В) = 1 : 2, R = 2,5 м, P = 1,67 МПа.

По периметру выработки производят бурение цементационных скважин. В скважину нагнетают воду при давлении, равном максимальному расчетному давлению нагнетания цементного раствора P. Нагнетание воды осуществляют до начала ее излива на поверхность выработки. При этом отмечают места интенсивного выхода воды в выработку через крупные трещины. На отмеченные места наносят изолирующее покрытие, например слой набрызгбетона толщиной 5 - 15 мм. Вместо воды более эффективно в скважину нагнетать 5%-ный процентный водный раствор жидкого стекла, производя, одновременно с выявлением мест выхода крупных трещин на поверхность выработки, химическую обработку подлежащих цементации трещиноватых пород (см., например, Бурков Ю.А., Дуда Е.Г., Хямяляйнен В.А. Технологические схемы упрочнения горных пород цементацией при проведении капитальных горных выработок в зонах геологических нарушений. - Кемерово: КузНиишахтострой, 1980, с. 68). Последовательно рассчитывают расход раствора в скважине при первом нагнетании Q₁, остаточные значения величин среднего раскрытия трещин δ , коэффициента трещиноватости m и коэффициента проницаемости k после первого нагнетания раствора в скважину и расход раствора в скважину при втором нагнетании Q₂ по формулам:
,
где
a - коэффициент, учитывающий концентрацию раствора, принимаемый равным 8,5; 6,0; 5,1 и 4,5 соответственно для растворов с Ц : В = 1 : 1; 1 : 2; 1 : 3 и 1 : 4;
R_кр - критический радиус распространения цементного раствора от скважины, начиная с которого в трещине происходит осаждение цементного осадка.

Значение R_кр для первой ступени нагнетания следует определять из выражения
R_кр = 2k₁k₂ • R_ск (6)
где
k₁ - коэффициент, учитывающий неоднородность цементных частиц, k₁ = 2,0; k₂ - коэффициент, учитывающий неоднородность раскрытия трещин вскрытых скважиной, k₂ = (2,0-3,0).

Для рассматриваемого примера R_кр = 0,215 м, Q₁ = 0,076 м³/с, δ = 3,3 • 10^-4 м, m = 3,3 • 10^-3, k = 2,97 • 10^-14 м², Q₂ = 3 • 10^-4 м³/с.

Производят нагнетание цементного раствора в скважину с постоянным расходом Q₁. Нагнетание прекращают при начале излива цементного раствора в выработку через неизолированные на поверхности выработки мелкие трещины. Сразу после падения давления в скважине приступают ко второму нагнетанию раствора в скважину с постоянным расходом Q₂. Нагнетание производят до начала излива раствора на поверхность выработки.

Остаточное раскрытие трещины после второго нагнетания может быть определено из выражения (2), которое в данном случае примет вид
,
где
η - выход цементного камня из раствора (для Ц : В = 1 : 2 η = 0,38); P_к - расчетное конечное давление при втором нагнетании раствора в скважину, определяется по известным рекомендациям для остаточных значений параметров трещиноватости δ , m и k (в рассматриваемом примере P_к = 18,7 МПа, δ_к = -2,03 • 10^-4 м).

Значение среднего остаточного раскрытия трещин после завершения второго нагнетания в рассматриваемом примере получилось отрицательным, из чего следует, что объем сжатия трещин после окончания нагнетания за счет упругих деформаций межтрещинных блоков горной породы превышает объем незаполненных цементным осадком частей трещин в момент, предшествующий окончанию нагнетания, и, следовательно, цементируемые трещины заполнены цементным осадком полностью. После падения давления в скважине до нуля производят демонтаж нагнетательной линии и приступают к работе на следующей скважине.

Применение предложенного способа позволяет повысить качество упрочнения горных пород вокруг выработки за счет обеспечения полного заполнения трещин цементным осадком при нагнетании нестабильных цементных растворов с постоянным расходом и, следовательно, получить значительный экономический эффект за счет обеспечения возможности использования для крепления выработки более дешевых облегченных видов крепей при обеспечении требуемой несущей способности системы крепь - упрочненный горный массив.

Способ упрочнения включает бурение по периметру выработки скважин, нагнетание в них воды, фиксацию участков с интенсивным выходом воды на поверхность выработки, нанесение изолирующего покрытия на отмеченные участки и двухкратное нагнетание нестабильного цементного раствора в скважину способом с постоянным расходом до начала излива раствора в выработку через неизолированные на ее поверхности тонкие трещины. Новым в способе является то, что нагнетание нестабильного цементного раствора в скважину производят два раза, до начала излива раствора в выработку, устанавливая строго фиксированные значения величин расходов раствора в скважину, обеспечивающих: при первом нагнетании седиментацию цементных частиц на удалении от устьев трещин, равном радиусу скважины, а при втором нагнетании - непосредственно от устьев трещин. При этом ко второму нагнетанию приступают сразу после падения давления в скважине. 2 з.п.ф-лы.

1. Способ упрочнения горных пород, включающий бурение по периметру выработки скважин, нагнетание в них воды, фиксацию участков с интенсивным выходом воды на поверхность выработки, нанесение изолирующего покрытия на отмеченные участки и нагнетание в скважину с постоянным расходом нестабильного цементного раствора, отличающийся тем, что по окончании первого нагнетания сразу после падения давления в скважине приступают к второму нагнетанию раствора в данную скважину. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при первом нагнетании величину расхода раствора в скважину устанавливают такой, чтобы седиментация цементных частиц в трещинах начиналась на удалении от их устьев, равном радиусу скважины, а при втором нагнетании - чтобы седиментация цементных частиц начиналась непосредственно от устьев трещин. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что подачу раствора в скважину при первом и втором нагнетаниях прекращают в момент наступления излива раствора из трещин на поверхность выработки.