способ тампонажа горных пород водоносных горизонтов при строительстве вертикальных шахтных стволов

Формула изобретения

1. Способ тампонажа горных пород водоносных горизонтов при строительстве вертикальных шахтных стволов, включающий бурение нагнетательных скважин по контуру шахтного ствола, расширение трещин посредством подачи под давлением воды, нагнетание в скважины тампонажного раствора, при этом для каждой нисходящей заходки повторяют цикл углубочных и тампонажных работ, отличающийся тем, что дополнительно бурят вертикальную подготовительную скважину в центре шахтного ствола, расширяют трещины посредством подачи в вертикальную подготовительную скважину под давлением, меньшим гидроразрыва пород или вначале воды затем воздуха, или воды, нагнетают в трещины тампонажный раствор в виде вспененного криогеля посредством его подачи под давлением в нагнетательные скважины сразу после окончания подачи в вертикальную подготовительную скважину или воздуха, или воды, продавливают вспененный криогель по трещинам за контур шахтного ствола посредством нагнетания под давлением воздуха в вертикальную подготовительную скважину, при этом для каждой последующей заходки углубляют вертикальные нагнетательные и подготовительную скважины и ведут нагнетание под давлением большим, чем в предыдущем цикле.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что криогель содержит следующие ингредиенты в соотношении, мас.%:

ПВС (поливиниловый спирт)	3
Борная кислота	0,5
Вода	96,5

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что криогель содержит следующие ингредиенты в соотношении, мас.%:

ПВС (поливиниловый спирт)	5
NaCl	11
Вода	84

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горному делу и предназначено для защиты горных выработок от притоков подземных вод.

Известен способ проходки выработок в трещиноватых породах, включающий обуривание выработок несколькими рядами скважин и нагнетание через них тампонажных растворов, причем ряды скважин располагают по контуру выработки, через скважины одного ряда нагнетают цементный раствор, а затем через скважины другого ряда - глинистый раствор (А.С. СССР №757713, Кл. E 21 D 1/16, 1978).

Недостатками данного способа являются необходимость бурения большого количества скважин. Кроме того, при таком тампонировании не удается в один прием добиться качественной цементации, в связи с чем необходимо вторично их разбуривать и производить тампонажные работы.

Наиболее близким техническим решением является способ тампонажа горных пород с неоднородной трещиноватостью, включающий бурение скважин первой серии вокруг вертикального ствола и нагнетание в них цементного раствора, бурение в промежутках между скважинами первой серии дополнительных скважин и нагнетание в них вначале воды для расширения тонких скважин, а затем цементного раствора (А.С. СССР №1456585, Кл. E 21 D 1/16, 1987).

Недостатками данного способа являются высокие трудоемкость и материальные затраты, обусловленные необходимостью бурения большого количества скважин. Кроме того, не обеспечивается эффективное водоподавление в силу того, что тампонажные цементные растворы не способны проникать в мелкие трещины и поры горного массива, а после застывания раствора подвержены возникновению трещин при проведении буровзрывных работ и возможной последующей деформации массива при многократном изменении температур от положительной к отрицательной и наоборот.

Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является снижение трудоемкости и материальных затрат при одновременном повышении эффективности водоподавления.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе тампонажа горных пород водоносных горизонтов при строительстве вертикальных шахтных стволов, включающем бурение нагнетательных скважин по контуру шахтного ствола, расширение трещин посредством подачи под давлением воды, нагнетание в скважины тампонажного раствора, при этом для каждой нисходящей заходки повторяют цикл углубочных и тампонажных работ, дополнительно бурят вертикальную подготовительную скважину в центре шахтного ствола, расширяют трещины посредством подачи в вертикальную подготовительную скважину под давлением, меньшим гидроразрыва пород, или вначале воды затем воздуха, или воды, нагнетают в трещины тампонажный раствор в виде вспененного криогеля посредством его подачи под давлением в вертикальные нагнетательные скважины сразу после окончания подачи в вертикальную подготовительную скважину или воздуха, или воды, продавливают вспененный криогель по трещинам за контур шахтного ствола посредством нагнетания под давлением воздуха в вертикальную подготовительную скважину, при этом для каждой последующей заходки углубляют вертикальные нагнетательные и подготовительную скважины и ведут нагнетание под давлением, большим, чем в предыдущем цикле.

Кроме того, криогель содержит следующие ингредиенты в соотношении, мас.%:

ПВС (поливиниловый спирт) - 3,

Борная кислота - 0,5,

Вода - 96,5.

Кроме того, криогель содержит следующие ингредиенты в соотношении, мас.%:

ПВС (поливиниловый спирт) - 5,

NaCl - 11,

Вода - 84.

Новизной данного решения является расширение трещин посредством подачи в подготовительную скважину под давлением меньшим гидроразрыва пород или вначале воды затем воздуха, или воды перед нагнетанием в горные породы тампонажного раствора. Кроме того, нагнетательные скважины располагают по контуру забоя, причем одну из скважин - подготовительную - бурят в центре шахтного ствола, а в качестве нагнетаемого в скважины тампонажного раствора используют криогель. Криогель, используемый в качестве тампонажного раствора, перед нагнетанием в скважины вспенивают. Продавливание тампонажного раствора осуществляют подачей воздуха под давлением в подготовительную скважину после нагнетания тампонажного раствора. После выстаивания срока схватывания скважины углубляют на шаг тампонажа и повторяют весь цикл до конца интервала тампонирования ствола, причем нагнетание ведут под давлением, большим, чем в предыдущем цикле.

Совокупность признаков данного технического решения не выявлена из патентной документации и научно-технической информации, что свидетельствует об изобретательском уровне заявляемого технического решения.

Бурение в центре шахтного ствола вертикальной подготовительной скважины для нагнетания в массив горных пород агентов (вода-воздух или вода), расширяющих трещины, а затем тампонажного раствора - вспененного криогеля - позволяет уменьшить количество буровых и нагнетательных работ и тем самым снизить трудоемкость и материальные затраты. Тампонирование массива по периметру за пределами ствола и в днище заходки позволяет снизить объемы тампонажных работ и также способствует снижению трудоемкости и материальных затрат.

Предварительная подача в вертикальную подготовительную скважину под давлением, меньшим гидроразрыва пород, или вначале воды затем воздуха, или воды перед нагнетанием в горные породы тампонажного раствора приводит к более полному раскрытию трещин в тампонируемых горных породах, что работает на повышение эффективности процесса тампонирования, и способствует тампонированию массива по периметру за пределами ствола, что приводит к снижению материальных затрат.

Кроме того, нагнетание в вертикальную подготовительную скважину тампонажного раствора в виде вспененного криогеля приводит к образованию эффективной водоподавляющей тампонажной завесы.

Проведенные исследования показали, что при многократном изменении температур от положительной к отрицательной и наоборот используемый в качестве тампонажного раствора водонепроницаемый криогель не изменяет свою прочность. Так как при тампонаже требуется не замерзание растворов, а их быстрое структурообразование, то к достоинствам криогелей при тампонировании относится его способность набирать необходимую прочность и структуру в короткое время и сразу по всему массиву, а не только на границе с минерализованными растворами. Криогели, нагнетаемые в качестве тампонажного раствора в горный массив, не способны смешиваться и взаимодействовать с рассолами и при этом, обладая пластической вязкостью, не разрушаются при проведении буровзрывных работ и возможной последующей деформации массива при многократном изменении температур от положительной к отрицательной и наоборот.

Криогель, нагнетаемый в скважины во вспененном состоянии, сохраняет все свои свойства, в том числе способность не смешиваться с рассолами, и при этом, обладая пластической вязкостью, не разрушается при проведении буровзрывных работ и возможной последующей деформации массива при многократном изменении температур от положительной к отрицательной и наоборот. Кроме того, предварительное вспенивание криогеля значительно сокращает расход тампонирующего раствора и таким образом снижает материальные затраты.

Продавливание вспененного криогеля путем нагнетания воздуха через вертикальную подготовительную скважину, т.е. формирование тампонажной завесы путем отжатия тампонажного раствора воздухом, приводит к равномерному распределению тампонажного раствора по породным трещинам и порам горного массива и таким образом повышается эффективность гидроизоляции вертикальных шахтных стволов в многолетнемерзлых горных породах.

Благодаря тому, что для каждой последующей заходки углубляют вертикальные нагнетательные и подготовительную скважины и ведут нагнетание под давлением, большим, чем в предыдущем цикле, при новом цикле проведения тампонажных работ происходит заполнение ранее не раскрытых трещин. Таким образом, новый цикл тампонажа подновляет, укрепляет предыдущий, закупоривая мелкие трещины и поры горного массива.

Способ иллюстрируется фиг.1 - 3. На фиг.1, 2 изображена схема осуществления предлагаемого способа, вид в плане, на фиг.3 - то же, вертикальный разрез, где: 1 - шахтный ствол, 2 - вертикальная подготовительная скважина, 3 - нагнетательные скважины, расположенные по контуру шахтного ствола, 4 - тампонажная завеса из застывшего криогеля.

На забое шахтного ствола 1 клетевого ствола создают бетонную подушку. По контуру шахтного ствола бурят вертикально расчетное количество вертикальных нагнетательных скважин 3 глубиной - на шаг тампонажа. Вертикальную подготовительную скважину 2 бурят в центре шахтного ствола. Через вертикальную подготовительную скважину 2 прокачивают с давлением, меньшим гидроразрыва пород, расчетный объем воды, затем воздуха или только воды. После выхода воздуха через нагнетательные скважины 3, расположенные по контуру шахтного ствола 1, производят закачку предварительно вспененного криогеля. По окончании закачки криогеля через вертикальную подготовительную скважину нагнетают расчетный объем воздуха для его продавливания. После выстаивания срока схватывания углубляют все скважины на следующий шаг тампонажа и повторяют цикл уже под большим давлением. Процесс повторяют до конца интервала тампонирования шахтного ствола. Если позволяют геомеханические условия горного массива, то гидроизоляцию вертикального шахтного ствола проводят за один шаг тампонажа. Кроме того, если горный массив обладает высокой воздухопроницаемостью, гидроизоляцию вертикальных горных выработок проводят через единственную нагнетательную скважину 2, пробуренную в центре шахтного ствола 1. В таком случае устраняется необходимость бурения скважин 2 по периметру массива, что дополнительно снижает себестоимость реализации данного способа. После окончания формирования тампонажной завесы, скважины прочищаются от геля и делаются опытные нагнетания и откачки для испытания завесы.

Пример.

На забое шахтного ствола 1 создают бетонную подушку, которая необходима для изоляции от высачивания тампонажного раствора. По контуру шахтного ствола, как можно ближе к границе, бурят расчетное количество вертикальных нагнетательных скважин 3-8 скважин глубиной на шаг тампонажа 25 м, который определяют заранее на основании имеющихся сведений о трещиноватости и гидродинамических характеристик подлежащего тампонажу горного массива. Количество нагнетательных скважин 3 рассчитывается в зависимости от объема массива и его геомеханических параметров (трещинной пустотности, гидростатического напора, предела прочности породы). Бурение рассчитанного таким образом, ограниченного числа нагнетательных скважин устраняет необходимость бурения большого количества скважин, а расположение их вертикально устраняет опасность нарушения действующей системы заморозки. Вертикальную подготовительную скважину 2 бурят в центре шахтного ствола 1. Нагнетательные скважины 3, расположенные по периметру забоя, закольцовывают трубной обвязкой на устье. По периметру шахтного ствола 1 бурят 4 контрольные вертикальные скважины (на фиг.1 - 3 не указаны) до подошвы водоносного комплекса и оснащают их термодатчиками. Процесс реализации способа гидроизоляции вертикальных горных выработок контролируют при помощи термодатчиков в контрольных скважинах и геофизических методов. Через вертикальную подготовительную скважину 2 прокачивают расчетный объем буферной воды, затем воздуха, не допуская гидроразрыва пород. После выхода воздуха через нагнетательные скважины 3, расположенные по периметру забоя, производят закачку криогеля, приготовленного и вспененного на поверхности массива. Готовый исходный раствор криогеля получают простым смешиванием в общей емкости или при продавливании насосами через смеситель, составляющих: заранее растворенный в горячей воде (70-100°С) раствор поливинилового спирта - ПВС и сшивающего агента - борной кислоты или NaCl. Криогель содержит следующие ингредиенты в соотношении, мас.%: ПВС (поливиниловый спирт) - 3, борная кислота - 0,5, вода - 96,5. Или: ПВС (поливиниловый спирт) - 5, NaCl - 11, вода - 84. Нагнетание растворов производят поршневыми насосами цементировочных агрегатов. При закачке криогеля готовый раствор вспенивают путем смешивания с воздухом, поступающим из компрессора через форсунки (смесители) или компрессорно-дожимных устройств.

Растворы криогелей при вспенивании - устойчивые пены. При застывании образуют вязкую ячеистую структуру и способны надежно противостоять фильтрации воды. Таким образом, несмотря на увеличение толщины тампонажной завесы, значительно (в 60-100 раз) снижают расходы тампонажного раствора и стоимость работ. Закачку вспененных криогелей производят бустерной установкой типа УНБ-125×40БК. По окончании закачки вспененного криогеля через вертикальную подготовительную скважину 2 нагнетают расчетный объем воздуха для его продавливания. После окончания формирования тампонажной завесы скважины прочищаются от криогеля и делаются опытные нагнетания и откачки воды для испытания завесы. Продувка воздухом производится компрессорами высокого давления. При закачке вспененного криогеля тампонажная завеса будет формироваться по контуру шахтного ствола 1. Воздух, закачиваемый через вертикальную подготовительную скважину 2, заполнив трещины и поры горного массива внутри кольца нагнетательных скважин 3, не позволит раствору вспененного криогеля распространиться внутрь кольца тампонажной завесы 4. После выстаивания срока схватывания (10-12 часов) углубляют все скважины на следующий шаг тампонажа (25 м) и повторяют цикл уже под большим давлением. Процесс повторяют до конца интервала тампонирования ствола. При каждом новом цикле происходит заполнение ранее не раскрытых трещин. Таким образом, новый цикл тампонажа подновляет, укрепляет предыдущий, закупоривая мелкие трещины и поры горного массива. После окончания формирования тампонажной завесы проводят испытания опытными нагнетаниями и откачками воды из нагнетательных скважин 3, расположенных по контуру забоя шахтного ствола.

Тампонирование горных пород при строительстве вертикальных горных выработок в многолетнемерзлых грунтах описанным выше способом обеспечивает повышение эффективности водоподавления, снижение трудоемкости и материальных затрат на его выполнение.