Способ цементации трещиноватых горных пород

Изобретение относится к горному делу, а именно к способам цементации трещиноватых горных пород вокруг выработок. Способ цементации трещиноватых горных пород включает бурение нагнетательных и вокруг них дренажных скважин, нагнетание цементационного раствора в породы через нагнетательные скважины, отфильтровывание и удаление жидкой фазы цементационного раствора через фильтрующий материал дренажных скважин. Жидкую фазу цементационного раствора отфильтровывают радиально к оси дренажной скважины при переменном гидравлическом сопротивлении фильтрующего материала, а фильтрат удаляют свободным сбросом по осевой перфорированной дренажной трубке. Изобретение повышает качество цементации трещиноватых горных пород вокруг выработок. 1 ил.

 

Изобретение относится к горному делу, а именно к способам цементации трещиноватых горных пород вокруг выработок.

Известен способ крепления горных выработок (патент на изобретение РФ №2283959. Способ крепления горных выработок. Хямяляйнен В.А., Майоров А.Е., МПК E21D 20/00, E21D 11/00, опубл. 2006.09.20, Бюл. №26), включающий бурение нагнетательных и дренажных скважин, закрепление в их донной части анкеров с опорными элементами, а после смещения пород нанесение изолирующего покрытия на поверхность выработки и поскважинное нагнетание вяжущего раствора в породы для создания вокруг выработки породобетонной оболочки. При этом до начала поскважинного нагнетания вяжущего раствора в нагнетательные скважины дополнительно создают сетку дренажных скважин, в донной части которых устанавливают и закрепляют анкера, нагружение анкеров, расположенных в нагнетательных и дренажных скважинах, производят порядно, в направлении от забоя выработки сразу после получасового поддержания максимального давления нагнетания вяжущего раствора в нагнетательных скважинах с прекратившимся растворопоглощением. Кроме того, особенность способа заключается в том, что анкера закрепляют сыпучим минеральным заполнителем без установки подпорной шайбы, причем при закреплении анкеров в дренажных скважинах их заполняют сыпучим минеральным заполнителем на полную длину с подпором устья фильтрующим материалом, а при закреплении анкеров в нагнетательных скважинах их заполняют только на минимально необходимую для равнопрочного закрепления длину минеральным заполнителем, которую у всех анкеров располагают за контуром устойчивой части массива.

Недостатком данного способа является то, что при нагнетании цементного раствора в систему трещин качество цементации горных пород снижается по мере удаления от контура выработки. При отфильтровывании жидкой фазы раствора через дренажные скважины, проводимого для повышения плотности и прочности получаемого цементного камня, приращение суммарного сопротивления движению вдоль оси скважины взаимоналагаемых потоков фильтрата из трещин более удаленных уровней происходит за счет кольматации и седиментации частиц цемента в поровом пространстве фильтрующего материала. В результате поток жидкой фазы раствора из дальних от устья скважины трещин имеет максимальное суммарное сопротивление движению по длине скважины и минимальную интенсивность отфильтровывания.

Известен способ упрочнения горных пород (а.с. СССР №768990, МПК E21D 1/16, опубл. 07.10.1980 г., Бюл. №37), принятый за прототип, включающий бурение нагнетательных и вокруг них дренажных скважин, нагнетание цементационного раствора в породы через нагнетательные скважины, отфильтровывание и удаление жидкой фазы цементационного раствора через фильтрующий материал дренажных скважин.

Недостатком данного способа является то, что при нагнетании цементного раствора в систему трещин качество цементации горных пород снижается по мере удаления от контура выработки. При отфильтровывании жидкой фазы раствора через дренажные скважины, проводимого для повышения плотности и прочности получаемого цементного камня, приращение суммарного сопротивления движению вдоль оси скважины взаимоналагаемых потоков фильтрата из трещин более удаленных уровней происходит за счет кольматации и седиментации частиц цемента в поровом пространстве фильтрующего материала. В результате поток жидкой фазы раствора из дальних от устья скважины трещин имеет максимальное суммарное сопротивление движению по длине скважины и минимальную интенсивность отфильтровывания.

Задачей заявляемого изобретения является повышение качества цементации трещиноватых горных пород вокруг выработок.

Указанная задача достигается тем, что в способе цементации трещиноватых горных пород, включающем бурение нагнетательных и вокруг них дренажных скважин, нагнетание цементационного раствора в породы через нагнетательные скважины, отфильтровывание и удаление жидкой фазы цементационного раствора через фильтрующий материал дренажных скважин, согласно изобретению, жидкую фазу цементационного раствора отфильтровывают радиально к оси дренажной скважины при переменном гидравлическом сопротивлении фильтрующего материала, а фильтрат удаляют свободным сбросом по осевой перфорированной дренажной трубке.

Изобретение поясняется чертежом.

Способ осуществляют следующим образом.

По известным методикам и рекомендациям, в зависимости от различных требований и условий проведения горной выработки рассчитывают паспорт крепления, в котором определена схема бурения нагнетательных и дренажных скважин, например симметричная веерная в шахматном порядке, плотностью 1 шт. на 1 м² поверхности контура выработки, глубина пробуриваемых скважин, соответствующая минимально необходимой глубине упрочнения, например в кровле 1,2 м и в боках выработки 0,6 м, схему нагнетания цементационного раствора, например при постоянном давлении, время отставания работ по упрочнению от проходческих, например 20 суток, вид временной крепи (изолирующего несущего покрытия), например набрызг-полимерное крепление Тефлекс (продукт фирмы Минова КарбоТех Гмбх, Германия) толщиной 4-6 мм.

Структурированный массив горных пород пересечен трещинами 1 разрыва и расслоения. Вслед за подвиганием забоя на поверхность горной выработки по известной технологии наносят изолирующее несущее покрытие 2. Далее производят бурение нагнетательных 3 и дренажных 4 скважин. Скважины 3 и 4 вскрывают трещины 1 разрыва и расслоения, образуя единую систему сообщающихся каналов и полостей. В каждую дренажную скважину 4 вводят до упора картридж 5 из фильтрующего материала, например рулонного нетканого или в виде сетчатой емкости, заполненной песком фракцией до 2 мм. Для отвода фильтрата внутрь выработки по оси картриджа 5 расположена осевая перфорированная дренажная трубка 6, которая может быть изготовлена из пластмассы или металла. Устье дренажных скважин 4 перекрывают герметизатором 7, выполненным в виде резиновой пробки с центральным отверстием. После отверждения изолирующего несущего покрытия 2 известными способами производят поскважинное нагнетание цементационного раствора в породы через инъекторы 8, вставленные в нагнетательные скважины 3. При этом под давлением нагнетания цементационного раствора его жидкую фазу отфильтровывают через фильтрующий материал картриджа 5 радиально к оси дренажной скважины 4 при переменном гидравлическом сопротивлении фильтрующего материала, а фильтрат удаляют свободным сбросом по осевой перфорированной дренажной трубке 6, расположенной соосно в дренажной скважине 4. После получасового поддержания максимального давления нагнетания цементационного раствора в нагнетательных скважинах 3 с прекратившимся растворопоглощением инъекторы 8 демонтируют.

После бурения нагнетательных и дренажных скважин, нанесения и отверждения изолирующего несущего покрытия известными способами через инъектор производят поскважинное нагнетание цементационного раствора в породы. Под действием давления нагнетания цементационый раствор через нагнетательные скважины проникает во вскрытые трещины и полости приконтурного массива горных пород. Далее, как известно [Хямяляйнен В.А., Бурков Ю.В., Сыркин П.С. «Формирование цементационных завес вокруг капитальных горных выработок» - М.: Недра, 1994. - 400 с: ил.], в какой-то момент времени наступает прекращение растворопоглощения упрочняемых горных пород, а их последующая выдержка под максимальным давлением нагнетания цементационного раствора приводит к отфильтровыванию «излишней» жидкой фазы раствора и позволяет произвести более плотную упаковку частиц в трещинах и полостях. При этом жидкая фаза раствора отфильтровывается через фильтрующий материал картриджа дренажной скважины при преодолении его гидравлического сопротивления. Картридж конструктивно выполнен с равной радиальной толщиной фильтрующего материала вокруг осевой перфорированной дренажной трубки, что дает возможность радиального отфильтровывания жидкой фазы раствора в сторону наименьшего гидравлического сопротивления к оси скважины и его свободного сброса внутрь выработки. При этом, для потоков жидкой фазы цементационного раствора, попадающих в дренажную скважину из каждой вскрытой трещины, гидравлическое сопротивление движению через объем фильтрующего материала и его изменение во времени (при прочих равных условиях) одинаково и не зависит от глубины залегания каждой трещины, обеспечивая условие равновозможного сброса фильтрата от каждого горизонта упрочняемой зоны горных пород. К тому же, при процессе центростремительного отфильтровывания жидкой фазы раствора, в приконтурной наружной поверхности картриджа интенсивно происходят процессы кольматации с последующей седиментацией частиц цемента в поровом пространстве фильтрующего материала, что приводит к переменному радиальному гидравлическому сопротивлению фильтрующего материала в поперечном сечении скважины.

Отсутствие взаимоналожения потоков фильтрата по длине скважины в сочетании с его равновозможным сбросом от каждой трещины дает возможность повышения интенсивности отфильтровывания и, соответственно, повышения прочностных и адгезионных характеристик получаемого цементного камня во всем объеме упрочняемых горных пород вокруг выработки независимо от глубины и протяженности зоны цементации.

Таким образом, заявляемый способ позволяет повысить качество цементации трещиноватых горных пород вокруг выработок.

Способ цементации трещиноватых горных пород, включающий бурение нагнетательных и вокруг них дренажных скважин, нагнетание цементационного раствора в породы через нагнетательные скважины, отфильтровывание и удаление жидкой фазы цементационного раствора через фильтрующий материал дренажных скважин, отличающийся тем, что жидкую фазу цементационного раствора отфильтровывают радиально к оси дренажной скважины при переменном гидравлическом сопротивлении фильтрующего материала, а фильтрат удаляют свободным сбросом по осевой перфорированной дренажной трубке.