Способ инжектирования скрепляющих растворов в горные породы Советский патент 1993 года по МПК E21D11/00 

Изобретение-относится к области горного дела и различным видам строительства, в частности, гидротехнического, и может быть использовано для нагнетания скрепляющих растворов в грунты и горные породы на основе упругого миграционного геоэффекта и эффектов кавитации, имеющих место в грунтах и породах при распространении в них упругих волн.

Цель изобретения - повышение эффективности Способа за счет увеличения системы трещин и проницаемости массива и

снижение энергоемкости процесса йньекти- рования.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу приводят массив в возбужденное состояние в диапазоне 60-1500 Гц, затем переходя на частоту вибровоздействия, равную частоте собственных колебаний пород, и нагнетают в породы рабочие растворы с добавкой. ПАВ и вибровоздействия осуществляют в течение времени, при которой деформации сжатия сменят деформации растяжения, после чего нагнетают в

оо

ь

ю со

СК

породы скрепляющие растворы с частотой нагнетания рабочих растворов.

С целью предотвращения динамических проявлений горного давления, вибровоздействия в диапазоне 60-1500 Гц в 5 совокупности с нагнетанием ПАВ в прикон- турные горные породы производят в течение времени, при котором напряжения в горном массиве не снизятся до величины, равной 0,5-0,6 от разрушаемых.Ю

С целью снижения прочности пород технологический раствор нагревают до 80°С.

С целью увеличения гидро-и аЗродина- мических свойств горного массива в раствор добавляют 1-2% расклинивающих .15 агентов с размерами 0,1-0,9 мм и плотно стью 2,8-4,6 г/см3.

В качестве расклинивающих агентов используют сажу или кварцевый песок.

С целью снижения прочности пород при 20 их разупрочнении возбуждают в горном массиве колебания на частоте собственных колебаний горного массива и воздействуют на массив в резонансном режиме.

С целью увеличения проницаемости 25 горного массива, определяют скорость миграции в нем флюидов, нагнетают в направлении простирлния микро- и макротрещйн нагретые растворы и воздействуя упругими колебаниями в диапазоне 60-1500 Гц воз- 30 буждают в массиве эффекты кавитации.

Измеряют скорости распространения упругих волн до, во время и после вибровоздействия и по их изменению судят о достигнутом эффекте.35

.На чертеже приведена схема реализации способа, где 1 - горный массив, 2 - горная выработка, 3 - нагнетательные скважины, 4- гидроимпульсатор для нагнетания технологических растворов, 5 - скважины 40 для размещения виброисточников, б-виброисточники, 7 - упруговязкое тело, 8 - компрессор высокого давления ЭУ-5 или ЭУ-7, 9 - электронный пульт управления для,синхронизации работы группы виброисточни- 45 ков, 10 - блок согласования, 11 МикроЭВМ, 12 - модуль памяти, 13 - пультовый терминал, 14 - цифропечатающее устройство;

Способ осуществляют следующим об- 50

разом: из горной выработки 2 бурят серию нагнетательных скважин 3, устанавливают в них датчики давления горных пород и определяют поле напряжений и минимальное и максимальное главные напряжения в гор- 55 ном массиве 1. Также определяют величину разрушающих напряжений в горном массиве 1.

Из выработки, пройденной параллельно выработке 2, бурят скважины 5 и размещают в них виброисточники 6, причем источники устанавливают в плоскости проходящей через линию действия минимального напряжения.

Максимальный диаметр скважины 5 и ее глубину выбирают исходя из оптимальных условий возбуждения сейсмических колебаний в выбранном диапазоне частот, составляющем 60-1500 Гц, при которых имеет место максимальная закачка упругой энергии в массив 1 и составляющая отЗ до 9% всей энергии, поступающей в источник 6 от компрессора ЭУ-5 или ЭУ-7 высокого давления - от 60 до 300 атм и выше. Глубина размещения виброисточников 6 в скважинах 5 обусловлена величиной давления обеспечиваемого на источник упруго- вязким телом 7, в качестве материала которого используют мокрый кварцевый песок, штыб и Другие минеральные добавки при условии, что рп Спороды /. С упруго- вязкого тела, где рСпиГи р Су-в.т - соответственно акустическое сопротивление породы и упруго-вязкого тела, причем,

рп и р - плотности породы и материала упруго-вязкого тела Сп и С упруго-вязкого тела - их скорости распространения.

Максимальная передача упругой энергий от виброисточника 6 в массив 1 наблюдается при условии, что величины акустических сопротивлений породы и упруго-вязкого тела примерно равны между собой. Величина давления материала упруго-вязкого тела 7 на источник 6 примерно равна 7-42 м, что определено экспериментально при работе виброисточников 6 в морской сейсморазведке на акваториях;

Скважины 5 бурят на удалении 3-5 длин волн основной частоты, излучаемой источником. Исходя из условий волнового подобия при скорости Р-волн в массиве равной 3000 м/с на частотах 60 и 1500 Гц длины волн соответственно равны:

на 60 Гц (3000 м/с}/(60 гц) 50 м

на 1500 Гц ... 2 м, то есть на удалении 3-5 длин волн это составляет примерно 150 м, что в свою очередь обусловлено тем, что на таких удалениях поле упругих напряжений излучаемое виброисточником распределено равномерно, в то время как на удалениях меньших длины волны - оно распределено неравномерно и работу группы виброисточников трудно синхронизировать и достичь положительного результата. Время воздействия - время синхронной работы группы источников 6 в скважинах 5 для приведения локального участка массива в неудароопасное состояние регулируют посредством электронного пульта управления

9, и инфЬ мацйонйЬ-бычйблй ельнйго блр- ка 10-14 и .эвМЬйтртсзбводнен йст масс гй ва и геомёхаййческйй условий залегания.vЈ

пород на длиной глубине;. К ; ; Д; При синхронной работе pyniiiJ H jiti- и, : источников их амплитуду. мбдлённо прДйи- .

ЩюТ 6т минимального возможного ypuBliin ;

До ма мальнргр, равного ВёЩчиненаЛрй-;--; ;г

жений 6,5 от разрушающихи горним масёй-: :;

- :Bis. С та кйм уЬлЬвйёЦ не вцзват - :v дйна|у(йц1бскйх пр0Я8лен:йй;в горного давле 10

внезапных выбросов угля, породы V : :; .йлй за ;;;: ;;; -;; ; :/ :; г...:s А ВибровоздейЬтвия ни лс са 1Ь1ный учзк ;

сток горного массиваг11рг}йзв;о|1ят йёскодь- 1Ё

КО: Та РВ 11Йен:НО:; ;

;-,:С..х вначале ибро зде айяо Цес ;,

; ; лякУг tit диапазоне 6Q-15J)0 гц, приводят ла- ;

кальнI ый уадстЪк fopfiprft ма. с аифй 6

возбужденное вf оЬвакупнорти и 20

, : иньектйрованиём вi 6д

растадров и бйбррв1эздейс1вйя rtpioiigH А водят в течение бремени при otopbu;: у

: цйи ра тйженцй, что соответствует йл ной:г1рб и1йё1м

у; которых ПАВ вйпрлНяют работу сил расШи

:;; рения, to efeti е ей&ют г ерегррод ме 1

: ду Норами и трещинами, ёелёдстеие чёгй

; ц Юи ис прй;этом /; л o:ki;;;;c;--ув Цч;и в / йр1оййнам)4чё6(сиё связи массива,; примем;; вибровоздействия производит;дрт Х пор,; лрка напряж нияг вf горном массивеf не снй :; зятся йо; вёлйчинй равной |5ч5ог; величины : f-орногодавления рбусловйёнНога BefeiCJ iеыг .. -uie/ie aiitMX пород v; ; затем переходйт на.чаctоту бйбрьврз- ; действия равйуючасп-фтё србстйеннЫ5с;крЛе-; г; баний горного; массива и на гнёта tor & породы нагретые растворы нэпрймер, т:йд- роокйсь натрия или гидроокись йатрйя щ I,. метанолом;, нагретых да 80°С Ј} ,; .; й ;;- затем переходят на частоту инъекти- рова11йя скрёпляклдйх растворов,: в каче с тт ве которых ;; Hcn rftsyioT тонкозернистый цемент, равнуючартртё нагнетания раствбров гидроимоульС1атЬрЬм 4 и вибровоздейртвия осуществляют в Течение времени;прй котором прочность скреп ; ляющих растворов; в горном массиве достигнет, величины Напряжений равной 0,5 от нормативного или проектногр ;значе- / ния.-; - - ..: ; ; .:; ч- .::: : : - ;: ь-: й ; й:-Ш Для повышения проницаемости пород, расположенных Йа значительных глубинах -свыше 1,5 кмв массив наряду с технологи-: ческими разупррчняющйми растворами нагнетают 1-2% расклинивающих агентов с

: размерами частиц 0; 1-6,5 мм и плоТнйстьК) : ; 2,8-4,, причем; размеру частицобус-J;: ловлены р азШ{э м трещй« в;;т1йроднрй ;; ; Г мзссивС а Чйетмй -- величиной : горного давтгенияг которые они вы- |;, ёржаН в процессе 0воей ,/:«-/ прпадагя ii поры ит.ё йй / да |6т:й : ;;;:. крытШ и темсамш (з бствуют с ц нию их Ьр6нйцаем)зстй е одной iCTpppHfw, a

таюке служат нрвыми крнфнтратррами е ;

ЩИН « СПО(ЮбСТВу рТ CHf1 H:MjK П ««ОСТ 1 V

;породШ {Эазрыв, /.; . ...Yy,..: ,; ::;--;;., V До, во время и пос/1 ш4о1ро оздейст:1а«я . : s иймеря ют скорости расгфострйнеймя у пру-; гих волн в горном массиве ц во цх измёнд- 7 ниюсудято напряженно деформированном состояний и свойствах Лдрод,4та1йсб -о (.М Эффвкте.. .-. ./ . V-V; - --н- - ; :

20

у

2S

&:

35

в

:

0

5

Таким образом, массив обрабатывается всеми видами (р«и4Маюш и растягивающие нагрузок в Широком диапаэонб частот - от 60 до 1500 Гц, что способствует BOBWUWHWO эффективности способа, увеличений) в нем гцдро- и ззродииамических связей и более полному объемному заполнению пор и трещин горного массива скрепляющими растворами, лри STOM прочность пород е Мсрибв повышается от 20 дЪ 60%, что про- йерено методом гидроразрыба до и после иньектгйррванийрвстворба. ; И:: ;:Т7ри значительной прочности пород на больших глубинах, б них нагнетают нагретые свыше 80°С растворы . «ий- три Ши гцдрбокисй натрия с метанолом,. возбуждают в массиве уггруте колебания э диапазон ни от Ш до 15Ш) Гц и выйй в; направлении простирания пор трещин, Скорость миграции флщидов, содержащихся в порах ктрещиках, определяют из выра ;)К0нйяЕ-(. Щ6.. :- ,; ; :.,- ,. - размер участка горных пород, в кой .тором ссуществдяютэксп1е «мент, Си скорость миграции флаядовг; if - время миграций флюидов в массше. Кагнетая &; массив нагретые {Растворы, возбуждают в массиве упругие колебания с частотами Ш)-; .1500 Гц и выше и инициируют ifasi rtipyich щие процессы на пути распространения упругих колебания, причем вследствие того;-, что; кавитаций процесс вероятностный, с;

Целью ПОВЫШЕНИЯ ВВрОЯТНОетЙ КЗб№П4ру10 :

щихпроцессов выгголня& У&юъШ} -:- цй ;

::- 1. направление pacnpbcf ранений yrip y- гой волны должно совпадать с нэ правлёй - ём:простирйнйя1пор и трещин: : ; ; ,и f 2. длина упругой; волны должна быть4 соизмерима с размерйми пор и трещин по ИХ простиранию ; ,-; : : - .v

/ ; :J3r частота уйругой водки должна, быте ; щий бурений скважин, Определение век-:

близка к еЬ 5ст;веннойлчаст6

держащихся в порах (й{ийах7.-ЦУ:|

v - ;4 ;йЈ пути распространений Щ; ванйб иртбЧникой щ ctevm С п

йК 5, во флюи ое ержащйх. pactЦрах буЖденйя в майские гюрод кблебрний.;при- ;ймйййгЬя:гверды1й%стицы с размерами ;;г чем бурят Ькйажйныглубиной дЧ) шренны -1

0,01,СО Ц, служащие зародышами ЗЁ|)И- Шррд, ;р1аэ ле1Да1рт в -них не-;

фй; :; К;;; :-д 5.: ; i: 1СЙЙ#|фуК)и

)a i owpaH6

1рт потоки флюидов и розкдатй С

микро- и макроударных доли, введёт ей чёт у но втрое :3Q. го проницаемость пород на rtyw к$витиру- -л енйй; оёнбвайи и й$сеивё о|э йы хУ : ющих процессов повышается на несколько ;15 пород, о t л и м аш щ vt и с; я te%что; с Г ri6jp fl ev4T inp 3flWKCHM eH це/ibK) пЪвй щенйя э фе тМвйосШ 6ti6)№6|:;:: сти пород от40 до 60%. :VV-:- -:;--J i t r.йчени: Ьсй{з ы.Тр е И ;й: rtpp- fe,

.;: CyiiiH ;-1 бр«т нйй ; ео

«гто возде Н:таивм мощных вибрацион- v кости rip eiucia Hbe tipiilca T ; ных агруэрк в

т от : флюйды жид ости IB ;а:зь«: йне i

содержацэ а:я в порах и трещинах породно- ту еибровоздействия, равную частоте го массив, мифируют на несколько поряд- ; йвтве нух |й)л:ебайий ,)йагнвтй1О Ш;

/now ( чей в отсутствие упругчуй i в пбр6 ;ра иерастворис оВайкой:П В;; И волны, что в свою очередь сопровождается 2& айбрЬ о ййтаи ocyi etfeftJaiciT IB j; :

vV.; |JBpj ij

пр жений яё crjrm . .; ; ;i - течением газов напор и тра1дин; при -. i;; ;йарнетШ)т е породы 0к|)| я1101ий -райТборь 1;У:::

вибрациях,тЖA1 3atuwftyit)j bfibin y i вч

стка массива пород ;: :: - :: ;-. yi: ;;::-4.::.-::;3 ; :::::. ; - aj T 4Wia%

1«адяьных и г

ПрвШУ1у 11встев способ состоят втом, что ро)аб8дё1йеггвйя ;в диапазон Ги |й i

размещение виброисточников по прэдлага- совокупности с нагнетанием ПАВ в прикон- ;

емому способу позволяют осуществить: 35 турйЦе горние порода ; йрдизводят в течйгЛ:

;; 1 свести к минимуму риск горного дёв ние врейёнй, йрй котором напряжений в | денив;...;v-Vi.;-;; v ; .- V/..-:- .::.:: :ixip)io aec iBe H6; c ti 3 c H;до . ; 2; возбуждать yJipyrae крлеба

бранном диапазоне частот и закачать а мае-3. СпосрЙпр ча io;i:it йс И

сне упругую эн ргшбу правышайндуге 0 тЬм, что, с иёльй прочное гитйр у ;

прочность пород на разрыв и управлять со- Hbix пород, техйЬяогйческийраст&йр

:СТСИ1Н 1в И:СвОЙСТ1Й1

гидре-и азрод

УбвязИ массива и его проницаемость тем, .с целью увеличения йедро-й&3puv зить энергоемкость процесса /

4. повесть безремонтный срок v; рас бы горных выработок и другие инженерах к агён

;C O| yjkei v:::K: ::;:;v : :- ; .: : ;- -; ;:::СТЬЮ: 2 8 «бг/ , ;; Использование заявляемого способа5/Спрсоб no fi.H, о т л и чаш щ и и с я позволит значительно снизить объемы 6у- 5U тем, что4 качестве |й к;линивающих ёген- |C peiwx i прюходческих работ, повысить срок ; тов используют сажу или кварцевый песок. службы горных выработок и снизить уро- ; 6. C;rioco noW;|, отличию ;&е:йь травматизм не г0 кодобываю1ц хпод- : тем

;;::giwii| ijb xji e при их рйзупрОчнений, возбуждают в гор- Hfyie M HCfi itiiacc на частоте собст- til йньеШ(р колебаний Арного массива и -..- растворов isгорные п6род1й.( -; - : (. , воздействует на массив в резонансном ре- ;:|:; ;: ;:ф,р,рм ул и -з.6- 6;р т е н и.й ;У .:. .- скрёпляк)- 7. Спосбб rio п. 3, о т л и ч a io щ и и с я ЩИх растворов в горные породы, включай)- тем, что, с целью увеличения проницаемости горного массива, определяют скорость миграции в нем флюидов, нагнетают в направлении простирания микро- и макротрещин нагретые растворы, и воздействуя упругими колебаниями в диапазоне 60- 1500 Гц, возбуждают в массиве эффекты кавитаций.

8. Способ по п. 1, о т я и ч а ю щи и d я тем/что измеряют скорости распространения упругих волн до, во время и после виб- ровоздейстоия и по их изменению судят о достигнутом эффекте.

Использование: изобретение относится к области горного дела и строительства и может быть использовано для нагнетаний скрепляющих растворов D приконтурные горные породы. Сущность изобретения: для повышения эффективности за счет увеличения системы трещин и проницаемости горного массива за счет приведения локального участка горных пород в возбужденное состояние в приконтурном горном массиве бурят скважины, устанавливают в них виброисточники, синхронизируют их работу в выбранном диапазоне частот и нагнетают в нагнетательные скважины скрепляющие растворы,например тонкозернистый цемент, причём вибровоздействия осуществляют в несколько этапов: вначале приводят массив в возбужденное состояние в диапазоне 60-1500 Гц в совокупности с нагнетанием ПАВ в горные породы, затем переходят на частот вибровоздействия, равную собственной частоте нагнетания раствора гидроимпульса- тором, и воздействия осуществляют в течение времени, при котором прочность скрепляющих растворов не достигнет примерно половины предела прочности нормативного предела, что позволяет значительно снизить затраты энергопотреб ления, объемы бурения шпуров по сравнению с известными классическими способами. 7 з.п. ф-лы, 1 ил. ел с