Способ тампонажа приконтурного массива пород шахтных перемычек

Изобретение относится к области подземной разработки полезных ископаемых и может быть использовано для изоляции горных выработок угольных и рудных шахт. Способ включает бурение нагнетательных радиально направленных скважин, наклоненных над шахтной перемычкой с заранее определяемым углом наклона относительно контура горной выработки, с последующим нагнетанием в скважины тампонажного раствора. При этом бурение скважин осуществляют под углом, определяемым из соотношения α=22,5⋅h/(H+ΔH), где α - угол наклона нагнетательных скважин относительно контура горной выработки, град.; h - глубина зоны интенсивной трещиноватости горных пород вокруг шахтной перемычки, м; Н - толщина шахтной перемычки, м; ΔН - технологический отступ от шахтной перемычки для размещения инъекционного пакера в устье нагнетательной скважины, м; при условии, что половина значения величины h равна радиусу распространения тампонажного раствора по трещинам горных пород. Технический результат заключается в повышении качества инъекционного упрочнения и уплотнения нарушенного приконтурного массива пород вокруг перемычек горных выработок шахт. 1 ил.

 

Изобретение относится к области подземной разработки полезных ископаемых и может быть использовано для изоляции горных выработок угольных и рудных шахт.

Известен способ сооружения шахтной самоуплотняющейся гидроизоляционной перемычки [Евразийский патент №015486, В1, 30.08.2011], включающий возведение перемычки путем сборки ее из отдельных элементов, при этом, в ослабленных и трещиноватых породных массивах, не обеспечивающих достаточную механическую прочность и предрасположенных к фильтрации вод или рассолов, дополнительно устраивают во вмещающих породах тампонажную завесу вокруг перемычки. Недостатком известного способа является несоответствие геометрии зоны распространения тампонажного раствора в процессе заполнения трещин форме зоны нарушенного приконтурного массива пород для создания тампонажной завесы вокруг шахтной перемычки. Указанное может привести к образованию пустот и неполному смыканию контура шахтной перемычки с тампонажной завесой за счет, например, малого радиуса распространения тампонажного раствора или его истечения в выработанное пространство за или перед шахтной перемычкой, тем самым, снижая качество тампонажа, а соответственно, и качество изоляции горных выработок шахт.

Известен способ упрочнения нарушенного породного массива цементацией [Хямяляйнен, В.А. Формирование цементационных завес вокруг капитальных горных выработок / В.А. Хямяляйнен, Ю.В. Бурков, П.С. Сыркин. - М.: Недра, 1994. - С. 366-369], включающий возведение тампонажной перемычки, заполнение полости горной выработки за тампонажной перемычкой цементно-песчаным раствором, бурение наклонных под различными углами инъекционных скважин в прилегающий нарушенный породный массив, в кровлю и борта выработки, нагнетание быстротвердеющего раствора. Недостатком известного способа является несоответствие геометрии зоны распространения быстротвердеющего раствора в процессе заполнения трещин форме зоны нарушенного приконтурного массива пород для создания качественно упрочненной и уплотненной цементационной завесы вокруг шахтной перемычки. Указанное, при прочих равных условиях, может привести к образованию пустот и неполному смыканию контура шахтной перемычки с цементационной завесой за счет, например, малого радиуса распространения быстротвердеющего раствора или его истечения в выработанное пространство за или перед шахтной перемычкой, тем самым, снижая качество тампонажа, а соответственно, и качество изоляции горных выработок.

Известен способ изоляции вертикальных горных выработок от притоков подземных вод (авторское свидетельство SU №1352067, 4 E21D 11/38, опубл. 15.11.1987, бюл. №42, прототип), включающий бурение нагнетательных радиально направленных наклонных скважин в приконтурном массиве пород, с последующим нагнетанием в скважины тампонажного раствора для создания тампонажной завесы. При этом нагнетательные радиально направленные наклонные скважины имеют заранее определяемый для различных условий угол наклона по отношению к оси (контуру) выработки. Недостатком известного способа является несоответствие указанных углов наклона нагнетательных скважин относительно контура горной выработки применительно к условиям технологии инъекционного упрочнения и уплотнения (тампонажа) нарушенного приконтурного массива пород вокруг перемычек горных выработок шахт. Соответственно, возможно некачественное заполнение трещин нарушенного приконтурного массива пород тампонажным раствором при создании тампонажной завесы вокруг шахтной перемычки. Указанное может привести к образованию пустот и неполному смыканию контура шахтной перемычки с тампонажной завесой за счет, например, малого радиуса распространения тампонажного раствора или его истечения в выработанное пространство за или перед шахтной перемычкой, тем самым, снижая качество тампонажа, а соответственно, и качество изоляции горных выработок шахт.

Таким образом, угол наклона нагнетательных скважин вокруг шахтной перемычки относительно контура горной выработки, в зависимости от глубины и формы прилегающей зоны интенсивной трещиноватости приконтурного массива горных пород, является важной технологической характеристикой для обеспечения качества инъекционного упрочнения и уплотнения при формировании тампонажной завесы в процессе изоляции горных выработок угольных и рудных шахт.

Техническим результатом заявляемого технического решения является повышение качества инъекционного упрочнения и уплотнения нарушенного приконтурного массива пород вокруг перемычек горных выработок шахт.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе тампонажа приконтурного массива пород шахтных перемычек, включающем бурение нагнетательных радиально направленных скважин, наклоненных над шахтной перемычкой с заранее определяемым углом наклона относительно контура горной выработки, с последующим нагнетанием в скважины тампонажного раствора, согласно заявляемому изобретению, бурение скважин осуществляют под углом, определяемым из соотношения

α=22,5⋅h/(H+ΔН),

где α - угол наклона нагнетательных скважин относительно контура горной выработки, град.;

h - глубина зоны интенсивной трещиноватости горных пород вокруг шахтной перемычки, м;

Н - толщина шахтной перемычки, м;

ΔН - технологический отступ от шахтной перемычки для размещения инъекционного пакера в устье нагнетательной скважины, м;

при условии, что половина значения величины h равна радиусу распространения тампонажного раствора по трещинам горных пород.

Изобретение поясняется чертежом, на котором показано продольное осевое сечение горной выработки.

Способ осуществляют следующим образом.

Местом производства работ является ранее возведенная в горной выработке 1 известным способом шахтная перемычка 2, например, вентиляционная безврубовая монолитная.

Проводят визуально-измерительный контроль прилегающего к шахтной перемычке нарушенного приконтурного массива пород, в том числе наружный осмотр контура горной выработки 1, а также стенок диагностических скважин, предварительно радиально пробуренных перед шахтной перемычкой (на чертеже не показаны). В качестве прибора возможно использование цифрового видеоэндоскопа с зондом в искробезопасном исполнении, метрическими метками по длине и возможностью прямого обзора стенок скважины. По результатам визуально-измерительного контроля оценивают глубину h и форму зоны интенсивной трещиноватости 3 вокруг шахтной перемычки 2, величину раскрытия трещин.

Для качественного инъекционного упрочнения и уплотнения (тампонажа) нарушенного приконтурного массива пород необходимо формирование тампонажной завесы 4 в рациональной области ABCD зоны интенсивной трещиноватости 3. При этом важно взаимное пространственное расположение нагнетательных скважин 5 вокруг шахтной перемычки 2 и относительно контура горной выработки, по которому идет линия AD. Указанное, при соответствующей известной технологии нагнетания тампонажного раствора, влияет на размер и форму зоны его распространения по трещинам зоны интенсивной трещиноватости 3. При этом, обязательным является условие полного заполнения объема трещин и распространение тампонажного раствора по всей площади области ABCD, тем самым обеспечивая качество тампонажной завесы 4 вокруг шахтной перемычки 2.

Местом забуривания нагнетательной скважины 5 является точка Е, обеспечивающая технологический отступ ΔН от шахтной перемычки 2 для размещения инъекционного пакера (на чертеже не показан) в устье, не пересекая линии CD проекции наружной плоскости.

Точкой F на чертеже обозначена забойная часть нагнетательной скважины 5, а отрезок АВ равен значению h глубины зоны интенсивной трещиноватости 3 горных пород вокруг шахтной перемычки 2. Равенство отрезков AF и FB радиусу распространения тампонажного раствора R, обеспечит геометрическую равнодоступность тампонажного раствора в наиболее удаленной части нагнетательной скважины 5 к контуру AD шахтной перемычки 2 и наружному контуру ВС нарушенного приконтурного массива пород 3. Учитывая при этом, что процесс движения тампонажного раствора и радиус его распространения R описываются в соответствии с его реологическими характеристиками и физическими параметрами трещиноватых горных пород [Хямяляйнен, В.А. Формирование цементационных завес вокруг капитальных горных выработок / В.А. Хямяляйнен, Ю.В. Бурков, П.С. Сыркин. - М.: Недра, 1994. - 400 с.; Майоров А.Е., Хямяляйнен В.А. Консолидирующее крепление горных выработок, Сиб. отд-ние РАН, КемНЦ. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2009. - 258 с.; Майоров, А.Е. Фильтрационное течение и приливы плотности дисперсной фазы при заполнении трещин горных пород цементным раствором / А.Е. Майоров, В.А. Хямяляйнен // Изв. вузов. Горный журнал. - 2010. - №4. - С. 105-110.], соблюдение равенства отрезков AF и FB радиусу распространения тампонажного раствора R, при соответствующем подборе его массового водо-твердого соотношения при известных характеристиках зоны интенсивной трещиноватости 3, позволит качественно контролировать процесс возведения тампонажной завесы 4 вокруг шахтной перемычки 2. Указанный подход минимизирует неконтролируемое истечение тампонажного раствора в горную выработку 1 за или перед шахтной перемычкой 2, обеспечит исключение образования пустот и полное смыкание ее контура с тампонажной завесой 4, соответственно, обеспечит качество инъекционного упрочнения и уплотнения нарушенного приконтурного массива пород.

Для достижения технического результата, оперируя соотношением сторон прямоугольного треугольника AFE, угол наклона нагнетательных скважин относительно контура горной выработки составит

α=22,5⋅h/(H+ΔН),

где α - угол наклона нагнетательных скважин относительно контура горной выработки, град.;

h - глубина зоны интенсивной трещиноватости горных пород вокруг шахтной перемычки, м;

Н - толщина шахтной перемычки, м;

ΔН - технологический отступ от шахтной перемычки для размещения инъекционного пакера в устье нагнетательной скважины, м;

при условии, что половина значения величины h равна радиусу распространения тампонажного раствора по трещинам горных пород.

Далее, соответственно, по указанному соотношению определяют угол наклона нагнетательных скважин относительно контура горной выработки а.

В приконтурном массиве пород в кровле и бортах горной выработки 1 вокруг шахтной перемычки 2 производят бурение радиально направленных нагнетательных скважин 5, наклоненных над шахтной перемычкой 2 с учетом рассчитанного угла наклона а. Образованный веер нагнетательных скважин 5 проходит через область ABCD непосредственно вокруг шахтной перемычки 2. Расстояние между нагнетательными скважинами 5 определяют по известным подходам, обеспечивая условие смыкания радиусов распространения тампонажного раствора R, определяемых в соответствии с его реологическими характеристиками и физическими параметрами нарушенного приконтурного массива пород [Хямяляйнен, В.А. Формирование цементационных завес вокруг капитальных горных выработок / В.А. Хямяляйнен, Ю.В. Бурков, П.С. Сыркин. - М.: Недра, 1994. - 400 с.; Майоров А.Е., Хямяляйнен В.А. Консолидирующее крепление горных выработок, Сиб. отд-ние РАН, КемНЦ. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2009. - 258 с.].

Производят цикличное нагнетание в нагнетательные скважины 5 тампонажного раствора известными способами [Хямяляйнен, В.А. Формирование цементационных завес вокруг капитальных горных выработок / В.А. Хямяляйнен, Ю.В. Бурков, П.С. Сыркин. - М.: Недра, 1994. - 400 с.; Майоров А.Е., Хямяляйнен В.А. Консолидирующее крепление горных выработок, Сиб. отд-ние РАН, КемНЦ. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2009. - 258 с.; патент на изобретение РФ №2112881, E21D 1/16, E21D 11/10, 19.07.1996]. Цикличность нагнетания тампонажного раствора способствует формированию крайней части тампонажной завесы около наружного контура ВС.

Последующий набор прочности тампонажного раствора формирует качественную тампонажную завесу, а соответственно, и изолирующую несущую систему «упрочненная и уплотненная приконтурная зона - шахтная перемычка».

Таким образом, при реализации способа достигается технический результат в виде повышения качества инъекционного упрочнения и уплотнения нарушенного приконтурного массива пород вокруг перемычек горных выработок шахт.

Пример.

Местом производства работ является ранее возведенная в горной выработке безврубовая монолитная шахтная перемычка толщиной Н=2 м, являющаяся классической для условий, например, угольных шахт Группы ЕВРАЗ в Кузбассе, где проводились натурные эксперименты.

По результатам проведенного визуально-измерительного контроля приконтурного массива пород глубина зоны интенсивной трещиноватости h составила 1,8 м. Соответственно, сечение ABCD в нарушенном приконтурном массиве пород вокруг шахтной перемычки сформировано прямоугольником со сторонами 2×1,7 м. Величина раскрытия трещин соответствует среднему значению 3⋅10^-3 м. Технологический отступ ΔН от шахтной перемычки для размещения инъекционного пакера в устье нагнетательной скважины составляет 0,5 м. Диаметр инъекционных скважин принят равным 0,043 м, соответствующий размеру буровых коронок. Давление нагнетания тампонажного раствора составляет не более 0,5 МПа, режим нагнетания принят с поддержанием постоянного давления.

Перед производством буровых и инъекционных работ по известной методике определено значение радиуса распространения тампонажного раствора по трещинам R, которое при применении специализированного цементного раствора с массовым водо-твердым соотношением 0,3 соответствует значению 0,9 м. На стенде с искусственной трещиной -щелевом вискозиметре ФИЦ УУХ СО РАН (Кемерово) проведена натурная оценка движения (распространения) тампонажного раствора в плоскопараллельном канале, с положительным результатом.

Рассчитанный угол наклона нагнетательных скважин относительно контура горной выработки составил

α=22,5⋅1,7/(2+0,5)=15,3 град.

Условие равенства половины значения глубины зоны интенсивной трещиноватости горных пород h радиусу распространения тампонажного раствора по трещинам горных пород соблюдено.

Расстояние между нагнетательными скважинами должно быть меньше значения 2R. Соответственно, при значении R равным 0,9 м, расстояние между нагнетательными скважинами по периметру контура горной выработки принято равным 1,7 м, обеспечивая условие смыкания тампонируемых участков.

Далее, производят бурение нагнетательных радиально направленных скважин, наклоненных над шахтной перемычкой с заранее определенным углом наклона α.

Далее, произвели цикличное нагнетание в нагнетательные скважины тампонажного раствора известным способом, тем самым оптимизируя режим нагнетания и предотвращая излишний пролив тампонажного раствора в горную выработку.

Последующий набор прочности тампонажного раствора сформировал качественную тампонажную завесу, а соответственно, и изолирующую несущую систему «упрочненная и уплотненная приконтурная зона - шахтная перемычка».

Способ тампонажа приконтурного массива пород шахтных перемычек, включающий бурение нагнетательных радиально направленных скважин, наклоненных над шахтной перемычкой с заранее определяемым углом наклона относительно контура горной выработки, с последующим нагнетанием в скважины тампонажного раствора, отличающийся тем, что бурение скважин осуществляют под углом, определяемым из соотношения

α=22,5⋅h / (H+ΔH),

где α - угол наклона нагнетательных скважин относительно контура горной выработки, град.;

h - глубина зоны интенсивной трещиноватости горных пород вокруг шахтной перемычки, м;

H - толщина шахтной перемычки, м;

ΔН - технологический отступ от шахтной перемычки для размещения инъекционного пакера в устье нагнетательной скважины, м;

при условии, что половина значения величины h равна радиусу распространения тампонажного раствора по трещинам горных пород.