способ тампонажа горных пород с неоднородной трещиноватостью

Формула изобретения

1. Способ тампонажа горных пород с неоднородной трещиноватостью, включающий бурение основных и дополнительных скважин, нагнетание в дополнительные скважины воды под давлением, обеспечивающим расширение тонких трещин, а в основные скважины - тампонажного раствора под давлением, отличающийся тем, что производят попарное бурение основной и дополнительной скважин, а нагнетание воды в дополнительную скважину и тампонажного раствора в основную скважину производят одновременно, причем в основную скважину тампонажный раствор нагнетают под давлением на 1-2 МПа больше давления нагнетания воды для обеспечения требуемого радиуса распространения тампонажного раствора от скважины, и заканчивают нагнетание тампонажного раствора по мере уменьшения его поглощения массивом до 5-10%, после чего производят бурение следующей пары основной и дополнительной скважин и процесс повторяют.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе тампонажа свободные от раствора дополнительные скважины используют в качестве основных для нагнетания тампонажного раствора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к тампонажу горных пород вокруг выработок растворами на основе цемента с целью создания противофильтрационной завесы или упрочнения массива.

Известен способ тампонажа горных пород, включающий бурение скважин, выделение участков с однородной трещиноватостью и поинтервальное последовательное инъектирование массива горных пород на выделенных участках. В зависимости от поглощающей способности горных пород на каждом выделенном участке индивидуально назначают давление нагнетания, концентрацию раствора и режим его нагнетания, что обеспечивает качество тампонажа массива.

Недостатком способа является его значительная или большая трудоемкость, обусловленная необходимостью изоляции выделенных участков с однородной трещиноватостью при бурении скважин на всю длину или больший объем буровых работ при последовательном бурении и нагнетании по длине скважины отдельными заходками (см. "Справочник по сооружению шахтных стволов специальными способами". - под ред. Н.Г. Трупака. - М.: Недра, 1980, с. 68-94).

Известен способ тампонажа горных пород с неоднородной трещиноватостью, включающий нагнетание раствора на всю глубину скважины и регулирование его распространения по всей длине скважины путем искусственного изменения гидродинамического сопротивления горных пород пропорционально их поглощающей способности. По данному способу скважину бурят на полную глубину, перед нагнетанием раствора путем гидравлического поинтервального опробывания определяют распределение поглощающей способности пород, а во время нагнетания искусственно изменяют гидродинамическое сопротивление движению раствора поинтервально пропорционально поглощающей способности пород. Изменение гидродинамического сопротивления при этом осуществляют неравномерным изолированием стенок скважины эластичной оболочкой с прорезями (см. а.с. СССР 1460290, кл. Е 21 D 1/16, 1988. "Способ тампонирования горных пород").

Недостатком указанного способа является трудоемкость одной из основных его операций, а именно - искусственного изменения гидродинамического сопротивления горных пород в скважине, а также невозможность тампонажа тонких трещин вследствие кольматации их устьев.

Известен способ тампонажа горных пород с неоднородной трещиноватостью, включающий бурение основных и дополнительных скважин и нагнетание в них воды и раствора под давлением, обеспечивающим расширение тонких трещин. По данному способу бурят основные скважины (скважины 1-ой очереди) на всю глубину и нагнетают тампонажный раствор для заполнения крупных трещин. Затем бурят дополнительные скважины (скважины 2-ой очереди) для заполнения тонких трещин. Перед нагнетанием цементного раствора производят расширение тонких трещин посредством подачи в них воды под давлением 18-25 МПа, а цементный раствор нагнетают в расширенные трещины сразу после подачи воды под давлением, равным давлению подачи воды (см. а.с. СССР 1456585, кл. Е 21 D 1/16, 20/00, 1988. "Способ тампонажа горных пород с неоднородной трещиноватостью").

Данный способ устраняет недостатки аналога, так как обеспечивает уменьшение трудоемкости и заполнение части тонких трещин. Принимаем его за прототип.

Недостатком прототипа является значительная трудоемкость тампонажных работ, так как все основные операции - тампонаж крупных трещин, гидравлическое расширение тонких трещин водой и тампонаж расширенных тонких трещин осуществляются последовательно.

Кроме того, недостатком способа является невозможность заполнения наиболее тонких трещин. Вследствие последовательности нагнетания воды и раствора расширение всех тонких трещин происходит только у их устья. По мере движения раствора под большим давлением вследствие большего радиуса тампонажа в больших трещинах возникает разность давлений раствора в больших и меньших трещинах. Это приводит к схлопыванию наиболее тонких трещин на некотором удалении от скважины.

Задачей изобретения является снижение трудоемкости тампонажных работ и повышение плотности заполнения трещин за счет совмещения во времени и пространстве тампонажа крупных трещин, расширения и тампонажа тонких трещин.

Поставленная задача решается следующим образом. В известном способе, включающем в себя бурение основной и дополнительной скважины и нагнетание в них воды и раствора под давлением, достаточным для расширения тонких трещин до необходимой величины, нагнетание производят одновременно в основную и дополнительную скважины, причем в дополнительную скважину нагнетают воду под давлением, обеспечивающим расширение тонких трещин, а в основную скважину нагнетают тампонажный раствор под давлением, превышающим давление нагнетания воды в дополнительную скважину на величину, обеспечивающую требуемый радиус распространения раствора от скважины.

Решение поставленной задачи обеспечивается также и тем, что дополнительные скважины для нагнетания воды в процессе тампонажа используют в качестве основных, для нагнетания тампонажного раствора.

Таким образом, идея предлагаемого способа заключается в создании в тампонируемом массиве высокого давления жидкости (воды) для расширения тонких трещин через одни скважины и одновременной закачке в массив тампонажного раствора под большим давлением через другие скважины.

Следует отметить, что изменение последовательности выполнения вышеотмеченных технологических операций приводит к новому качеству, а именно поддержанию в расширенном состоянии всех тонких трещин на любом расстоянии от тампонажной скважины, что исключает возможность их схлопывания и обеспечивает плотное заполнение.

Сущность способа поясняется чертежом, где представлен продольный разрез горной выработки с тампонируемым массивом горных пород: 1 - выработка; 2 - облицовочно-несущая оболочка (тампонажный слой + крепь); 3 - непроницаемая изолирующая перемычка; 4 - слабопроницаемый массив горных пород за пределами зоны влияния выработки; 5 - основная скважина для нагнетания раствора; 6 - дополнительная скважина для нагнетания воды; 7 - искусственно обводненный массив, находящийся под большим давлением воды.

Способ реализуют следующим образом. Известным способом проходят горную выработку 1. Известным способом производят ее крепление и заполняют закрепные пустоты тампонажным раствором с малым содержанием цемента и большим количеством инертных наполняющих (например, песком или золой), создавая при этом облицовочно-несущую оболочку 2. Известным способом изолируют с двух сторон участок тампонажа длиной, например, 50-100 м, создавая непроницаемые изолирующие перемычки 3. Перемычки 3 создают путем бурения по периметру выработки 8-10 скважин длиной 2,5-3 м и закачкой в них тампонажного раствора с ускорителем схватывания, например хлористого кальция в количестве 3% от массы цемента. Облицовочно-несущая оболочка 2, изолирующие перемычки 3 и слабопроницаемый массив 4 за пределами зоны влияния выработки образуют в тампонируемом массиве замкнутую область, в которой не представляет труда поднять давление жидкости.

Производят попарно бурение основной 5 и дополнительной 6 скважин на расстоянии 5-6 м друг от друга. Производят одновременное нагнетание в скважину 6 воды, а в скважину 5 тампонажного раствора. Давление воды составляет 18-25 МПа, а давление раствора на 1-2 МПа больше давления воды. Таким образом, тампонажный раствор нагнетают в искусственно обводненный массив 7, находящийся под большим давлением воды. Устья скважин оборудуют нагнетательными головками, обеспечивающими сброс воды и раствора обратно в расходные емкости для поддержания необходимого давления. Процесс нагнетания раствора заканчивается по мере уменьшения его поглощения массивом до 5-10% (обратный сброс раствора в расходную емкость составляет 90-95%). Затем производят бурение следующей пары основной и дополнительной скважин и процесс повторяется в направлении от одной перемычки к другой. В процессе тампонажа свободные от раствора дополнительные скважины 6 используют в качестве основных 5.

По сравнению с прототипом за счет создания в тампонажном массиве высокого давления воды для расширения тонких трещин через одни скважины и одновременной закачки в массив тампонажного раствора под большим давлением через другие скважины заявленный способ обеспечивает плотность заполнения всех тонких трещин, сокращение продолжительности и трудоемкости тампонажных работ.