Способ оценки качества цементационного упрочнения массива горных пород

 

Способ относится к горно-рудной промышленности и может быть использован при цементационном упрочнении горных пород. Сущность изобретения заключается в том, что на контрольном участке выработки бурят скважины, поинтервально определяют распределение трещинной пустотности массива путем измерения в скважинах электросопротивления горных пород, измеряют глубину зоны трещиноватости в массиве, по результатам измерений трещинной пустотности определяют суммарный объем пустот в контролируемом объеме трещиноватого массива горных пород до и после упрочнения путем суммирования поинтервальных объемов пустот, а о качестве упрочнения судят по соотношению этих суммарных объемов пустот. Контролируемый объем массива определяют для одной скважины как объем цилиндра с высотой, равной глубине зоны трещиноватости, и радиусом, равным глубине проникновения тока в массив, а для участка выработки как объем сектора полого цилиндра с высотой, ограниченной границами контролируемого объема по длине выработки, внутренним радиусом, равным радиусу выработки, внешним радиусом, равным сумме радиуса выработки и глубины зоны трещиноватости, и центральным углом, образованным внешними границами контролируемого объема в сечении выработки. 2 ил.

Изобретение относится к горно-рудной промышленности и может быть использован при цементационном упрочнении горных пород.

Известен способ определения заполнения трещин, включающий бурение скважин, добавление в вяжущее вещество металлического порошка, нагнетание раствора, измерение электросопротивления пород до и после нагнетания и определение степени заполнения трещин по совпадению обратной полярности пиковых значений полученных графиков [1] Данный способ недостаточно точен, поскольку реагирует только на количество раствора, проникшее в трещины, и не учитывает исходной нарушенности горных пород.

Известен также способ оценки качества упрочненных горных пород скрепляющими растворами, включающий бурение контрольной скважины в упрочненном массиве, нагнетание в нее раствора электролита (технической воды) до полного насыщения им контролируемого участка массива и определение степени заполнения трещин по отношению электросопротивлений упрочненных и ненарушенных пород [2] Данный способ позволяет оценить остаточную трещинную пустотность, определить расположение и размеры зон горных пород с неполным заполнением технологических трещин цементным камнем. Недостатки способа состоят в следующем. Способ основан на сопоставлении трещинной пустотности упрочненного участка массива и ненарушенного массива за пределами зоны трещиноватости, т.е. он предполагает относительную оценку объемов остаточных пустот после заполнения трещин цементным камнем. Объем остаточных пустот является характеристикой упрочненного массива и определяет его прочностные и фильтрационные свойства, однако он не определяет качество цементации, т.е. правильность выбора схемы, нагнетательной установки, режима нагнетания и степень их реализации при цементационных работах. Иными словами, при малых остаточных пустотах качество цементации может быть низким в случае, если объем пустот в массиве был низким до упрочнения, и наоборот при высоком уровне остаточных пустот качество цементации может быть высоким при сильной нарушенности массива.

Кроме того, способ позволяет оценивать свойства массива в отдельных его точках, в то время как при цементации воздействию подвергается объем массива. Привязка результатов контроля по данному способу к контролируемым объемам массива отсутствует.

Цель изобретения повышение точности оценки качества цементационного упрочнения массива горных пород за счет определения суммарных объемов пустот в контролируемом объеме зоны трещиноватости массива до и после упрочнения.

Поставленная цель достигается тем, что в способе, включающем бурение скважин на контролируемом участке, поинтервальное определение распределения трещинной пустотности массива путем измерения в скважинах удельного электросопротивления горных пород и оценку эффективности упрочнения путем сопоставления результатов измерений, до упрочнения дополнительно измеряют глубину зоны трещиноватости в массиве, по результатам измерений трещинной пустотности определяют суммарный объем пустот в контролируемом объеме трещиноватого массива горных пород до и после упрочнения путем суммирования поинтервальных объемов пустот, а о качестве упрочнения судят по соотношению этих суммарных объемов пустот.

Поставленная цель достигается также тем, что контролируемый объем массива горных пород определяют для одной скважины как объем цилиндра с высотой, равной глубине зоны трещиноватости в массиве, и радиусом, равным глубине проникновения тока в массив, а для участка выработки как объем сектора полого цилиндра с высотой, равной внешним границам контролируемого объема по длине выработки, внутренним радиусом, равным радиусу выработки, внешним радиусом, равным сумме радиуса выработки и глубины зоны трещиноватости, и центральным углом, образованным внешними границами контролируемого объема в сечении выработки.

На фиг. 1 представлена схема расположения одиночной контрольной скважины и результаты измерений в ней; на фиг. 2 схема расположения контрольных скважин на участке выработки и результаты оценки качества упрочнения.

На чертежах обозначено: 1 выработка; 2 контрольная скважина; 3 электроды электрометрического зонда AMNB; 4 контролируемая зона; m трещинная пустотность горных пород; m_∞ значение m вне нарушенной зоны; ρ удельное электросопротивление горных пород; r координата от оси выработки в глубь массива; П₀, П₁ суммарная пустотность в контролируемом объеме соответственно до и после упрочнения; R глубина зоны трещиноватости в массиве от контура выработки; δ глубина проникновения тока в массив; Θ центральный угол контролируемого объема; Z координата по длине выработки; L длина участка контролируемого объема; R_в радиус выработки; ϕ угловая координата в сечении выработки.

Осуществляется способ следующим образом.

В выработке 1 до цементации бурят контрольные скважины 2, которые располагают веерообразно по длине выработки (фиг. 2). В скважинах 2 до и после цементации измеряют поинтервально удельное электросопротивление пород ρ с помощью электрометрического зонда 3 с электродами AMNB и измерительного прибора, включающего источник тока, амперметр и вольтметр. По результатам измерений в скважине 2 получают график зависимости ρ (r) (фиг. 1). Величина ρ трещиноватой горной породы при измерениях перпендикулярно к плоскости трещин зависит от величины трещинной пористости m (Иванов В.В. Простов С.М. Дырдин В.В. Зависимость электросопротивления высокопроводящих трещиноватых пород от механических напряжений // Изв. вузов. Горный журнал. 1979. N 11. С. 6-10): ρ=1 + , (1) где ρ_п электросопротивление нетрещиноватой породы; ζ средняя относительная площадь скального контакта между берегами трещин, отнесенная к единице площади поверхности.

Учитывая, что ρ_п и ζ постоянны, а также m/ ζ >> 1, выразим зависимость m от координаты r: m(r)= ρ(r), (2) где m_∞ значение m в ненарушенной зоне, определяемое по данным геологической разведки; ρ_∞ значение ρ в ненарушенной зоне. Из (2) следует, что графики m(r) и ρ (r) при соответствующем подборе масштаба совпадают.

Зависимость (2) справедлива как для нарушенного неупрочненного, так и для упрочненного цементацией массива, поскольку после отфильтровывания жидкой фазы, химического связывания влаги, образования цементного камня и его усадки зацементированный массив через 12-15 сут после закачки приобретает естественную влажность, при которой электросопротивление цементного камня не отличается от электросопротивления породы. При этом цементный камень частично заполнит трещины породы, а зависимость (2) отразит распределение остаточной трещинной пористости.

По результатам измерений и полученным графикам m(r) определяют суммарный объем пустот в контролируемом объеме 4 массива. Радиус контролируемого объема 4 при электрометрических измерениях в i-й скважине j-го сечения соответствует глубине проникновения тока в массив, которая равна половине разноса питающих электродов A и B. Таким образом, суммарный объем пустот в контролируемом цилиндрическом объеме массива определится из выражения, которое определяет площадь заштрихованной фигуры под графиком m(r) на фиг. 1: П_ij= m(r)dr (r)dr (r_к)Δr, где r_к координата k-й точки замера; Δ r шаг измерений в скважине; n количество замеров в скважине в пределах зоны трещиноватости.

Глубину зоны трещиноватости R измеряют до упрочнения путем измерения на графике ρ (r) расстояния от контура выработки до точки замера, в которой значение ρ становится равным ρ_∞ (фиг. 1).

Для участка выработки контролируемый объем определится как объем сектора полого цилиндра с внутренним радиусом, равным R_в, внешним R_в+R, высотой L и центральным углом Θ (см. фиг. 2): П m(r,ϕ,Z)rdrdϕdZ (ϕ_i,Z_j)Δϕ_iΔZ_j, где среднее значение m в контролируемом объеме i-й скважины j-го веера; ; Δ ϕ_i угол между соседними скважинами в веере;
a количество скважин в веере;
Δ Z_j расстояние между соседними веерами в выработке;
b количество вееров контрольных скважин.

Качество цементационного упрочнения определяют по соотношению значений П₀ и П₁ до и после цементации с требуемой степенью детальности: по отдельным скважинам, по веерам скважин (сечениям) или по выработке в целом:
K . (5)
Таким образом, существенными отличиями предлагаемого способа являются следующие:
1. Оценку эффективности упрочнения осуществляют не поинтервально, т.е. в отдельных точках массива, а в контролируемом объеме, форму и размеры которой определяют, исходя из физических процессов, происходящих при электрометрических измерениях и формирующих величину измеряемого сигнала. Определение суммарного объема пустот не является суммированием известного эффекта, т.к. пределы суммирования определяются контролируемым объемом, для выявления которого необходимо измерять глубину зоны трещиноватости в массиве.

2. Эффективность цементации оценивают не путем поинтервального сопоставления контролируемого параметра после цементации со значением, соответствующим ненарушенным породам, что фактически позволяет выявить неоднородность свойств упрочненных горных пород, а по соотношению суммарных объемов пустот в контролируемом объеме зоны трещиноватости до и после цементации. Это, в частности, требует обязательного проведения измерений распределения трещинной пустотности до упрочнения.

П р и м е р. В главном квершлаге гор. + 180 м ш. Нагорная концерна Кузнецкуголь протяженностью 380 м было заложено 8-мь контрольных станций, на которых веерообразно пробурили по 5-ть шпуров ( Δ ϕ_i 40^о, Θ= 160^о). В связи с неоднородностью геологического строения массива веера располагали неравномерно по длине квершлага, их приурочивали к тектоническому нарушению, контактам пород с угольными пластами, сопряжениям с выработками. Упрочнение пород проводили цементным раствором состава Ц:В 1:1 по зажимной схеме при давлении 1 МПа с шагом сетки 2 м.

Контрольные измерения в шпурах проводили за 10-ть дней до начала цементации и через 30-ть дней после ее окончания. Суммарный объем пустот и значения K определяли по отдельным шпурам и по веерам шпуров.

Результаты измерений и расчетов представлены в таблице.

В результате проведенного контроля установлено, что заполнение пустот цементным камнем составило в основном от 0,2 до 0,3, достигая в отдельных случаях 0,4-0,45. В бортах выработки (шпуры 1 и 5) эффективность цементации выше, чем в своде (шпуры 2-4). Рекомендовано провести повторное упрочнение во всем сечении на интервале между пикетами 28 и 29 (район пересечения тектонического нарушения), а также в сводовой части на участке между пикетами 3-7 и 34-37.

Формула изобретения

СПОСОБ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ЦЕМЕНТАЦИОННОГО УПРОЧНЕНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД, включающий бурение скважин на контролируемом участке, поинтервальное определение трещинной пустотности упрочненного участка массива путем измерения в скважинах удельного электросопротивления горных пород, отличающийся тем, что до упрочнения измеряют трещинную пустотность и глубину зоны трещиноватости в массиве, по результатам измерений определяют суммарные объемы пустот в контролируемом объеме трещиноватого массива горных пород до и после упрочнения в i-й скважине j-го сечения по формуле

где δ глубина проникновения тока в массив, равная половине разноса питающих электродов;
m_∞ трещинная пустотность нетронутого массива;
ρ_∞ удельное электросопротивление нетронутого массива;
ρ_ij(r) измеряемая в i-й скважине j-го сечения зависимость удельного электросопротивления массива горных пород от радиальной координаты r, отсчитываемой от оси выработки в глубь массива;
R_в радиус выработки;
R глубина зоны трещиноватости от контура выработки,
для участка выработки по формуле

где ϕ угловая координата в сечении выработки;
Z координата по оси выработки;
q центральный угол, образованный границами контролируемого объема в сечении выработки;
L длина участка выработки,
а о качестве упрочнения судят по соотношению этих суммарных объемов пустот.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3