Способ формирования изоляционной завесы вокруг горных выработок

 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для создания благоприятных горно-геологических условий при строительстве и эксплуатации горных выработок. Сущность изобретения заключается в том, что способ формирования изоляционной завесы вокруг горных выработок в межскважинном пространстве включает бурение нагнетательных скважин и стадийное нагнетание тампонажного раствора, предусматривает непрерывную регистрацию ряда технологических параметров в ходе формирования завесы. После закачки в породы водоносного горизонта через скважины очередной стадии проектного объема тампонажного раствора рассчитывают среднее значение коэффициента поглотительной способности каждой скважины. Значения их сравнивают между собой, при этом качество изоляционной завесы является удовлетворительным, если значения (е) упомянутых (ого) коэффициентов (а) для скважин (ы), затампонированных(ой) на конечной стадии формирования изоляционной завесы, ниже значений(я) коэффициентов(а) для скважин(ы), затампонированных(ой) на начальной и промежуточной стадиях формирования этой завесы. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для создания благоприятных горно-геологических условий при строительстве и эксплуатации горных выработок.

Известен способ формирования изоляционной завесы, включающий бурение нагнетательных скважин вокруг будущего контура ствола, стадийное нагнетание тампонажного раствора, предусматривающий непрерывную регистрацию давления на нагнетательном трубопроводе и расхода тампонажного раствора и определение качества изоляционной завесы (см. Справочник по сооружению шахтных стволов специальными способами. Под ред. Н.Г.Трупака, М. Недра, 1980).

Для реализации известного способа требуется бурение большого количества контрольных скважин, предназначенных для осуществления наблюдения за состоянием тампонируемого массива в процессе формирования изоляционной завесы, что связано со значительными дополнительными затратами. Несмотря на это, как показывает практика, указанный способ не обеспечен достаточно надежным контролем качества формирования изоляционной завесы, что приводит нередко к аварийным ситуациям в процессе проходки в эксплуатации горных выработок.

Целью изобретения является повышение безопасности и эффективности ведения горных работ в условиях обводненных горных пород за счет повышения надежности контроля процесса формирования изоляционной завесы и снижение материально-трудовых затрат за счет исключения работ по бурению контрольных скважин и сокращение объема работ исследовательского цикла. Кроме того, данное изобретение осуществляет непосредственную связь между контролем качества завесы с технологическими параметрами, определяющими процесс формирования этой же завесы стандартными методами.

Для решения указанной задачи измеряют расход тампонажного раствора на каждой скважине и давление на ее устье при закачке в водоносный горизонт через эти скважины проектного (расчетного) объема раствора на каждой стадии выполнения работ. По полученным данным рассчитывают среднее значение коэффициента поглотительной способности каждой скважины по формуле: где q^m_ij расход j-й порции тампонажного раствора, нагнетаемого в j-й водоносный горизонт скважины, м³/с; P^m_ij давление на устье скважины при нагнетании j-й порции раствора в i-й водоносный горизонт, МПа; t^m_ij время нагнетания j-й порции раствора в i-й водоносный горизонт скважины, с; m номер скважины, тампонируемой на очередной стадии формирования изоляционной завесы.

После расчета значения этих коэффициентов сравнивают между собой. При этом качество изоляционной завесы в межскважинном пространстве является удовлетворительным, если значения коэффициентов поглотительной способности скважин, затампонированных на конечной стадии формирования завесы, ниже значений коэффициентов поглотительной способности скважин, затампонированных на начальной и промежуточной (предыдущих) стадиях формирования завесы: где _m номера скважин, тампонируемых на конечной стадии формирования изоляционной завесы.

В случае установления факта неудовлетворительного качества формирования изоляционной завесы в межскважинном пространстве в скважины (у), затампонированные(ую) на конечной стадии формирования этой завесы, закачивают дополнительный объем тампонажного раствора.

В условиях значительной направленной фильтрации подземных вод, а также при цементации мелко- и тонкотрещиноватых водоносных пород и при цементационных работах на соляных и калийных рудниках с использованием в качестве тампонажных ранее пробуренных замораживающих скважин основную изоляционную завесу формируют под защитой дополнительной изоляционной завесы, располагаемой со стороны напора подземных вод и частично или полностью охватывающей основную завесу. Дополнительную завесу формируют путем закачки тампонажного раствора через дополнительный ряд скважины. При этом качество дополнительной и основной изоляционных завес является удовлетворительным при соблюдении условия неравенства: где _m номера скважин дополнительного ряда, тампонируемых на начальной и промежуточной стадиях формирования дополнительной изоляционной завесы;
_m номера скважин дополнительного ряда, тампонируемых на конечной стадии формирования дополнительной изоляционной завесы.

В случае установления факта неудовлетворительного качества формирования основной или дополнительной изоляционных завес в межскважинном пространстве в скважины, затампонированные на конечной стадии формирования соответственно основной или дополнительной завес, закачивают дополнительный объем тампонажного раствора.

Неравенства (2) и (3) установлены на основании анализа статистических сведений, полученных в ходе формирования изоляционных завес в различных горно-геологических и горно-технических условиях. Анализ показал высокую надежность установленных зависимостей. Ранее для предлагаемых целей эти неравенства не использовались.

Особенностью предложенного способа формирования изоляционной завесы является то, что контроль качества ее по коэффициенту поглотительной способности скважин возможен только в том случае, если тампонажные работы ведутся стадийно, на каждой стадии формируется группа нагнетательных скважин, в которую по возможности не должны входить смежные (рядом расположенные) скважины, т. е. должны входить чередующиеся с пропуском некоторых скважин, через которые подаются в массив горных пород тампонажные растворы, которые образуют локальные изоляционные участки. При этом эти скважины имеют коэффициент поглотительной способности k^m_ij..

На последней (конечной) стадии формирования изоляционной завесы сначала данной группы скважины имеют также коэффициент поглотительной способности равный k^m_ij. Однако при смыкании локальных изоляционных участков последних с локальными изоляционными участками скважин, затампонированных на предыдущих стадиях тампонажных работ, коэффициент поглотительной способности скважин конечной стадии резко снижается за счет влияния предыдущих изоляционных участков и становится равным .

Таким образом, удовлетворение значений коэффициентов поглотительной способности скважин, определенных на различных стадиях выполнения тампонажных работ, требований условий неравенства (2) и (3) однозначно указывает на качественное смыкание отдельных изоляционных участков в одну целую изоляционную завесу.

На чертеже показана схема стадийного тампонирования скважин.

Обозначения на чертеже следующие: А например, контур, ствола; В и С - оси основных скважин с номерами 1-8 дополнительного ряда, с номерами 9-20; Д
нарушение сплошности изоляционной завесы между основными скважинами 3 и 4; Б нарушение сплошности изоляционной завесы между скважинами 10 и 11 дополнительного ряда; I и IV -начальная стадия формирования основной и дополнительной изоляционной завес через основные скважины 1 и 5 и скважины 9, 11 и 13 дополнительного ряда; II промежуточная стадия формирования завесы через основные скважины 3 и 7; III и V конечная стадия формирования основной и дополнительной изоляционной завес через основные скважины 2, 4, 6, 8 и скважины 9 и 12 дополнительного ряда; скважины 14-20 в совокупности со скважинами 9 -13 используют при цементации мелко- и тонкотрещиноватых водоносных пород и при цементационных работах на соляных и калийных рудниках для создания дополнительной завесы, полностью охватывающей основную. Возможно применение и других схем размещения тампонажных скважин.

Под нарушением сплошности изоляционной завесы понимается отсутствие контакта зон распространения тампонажного раствора в межскважинном пространстве.

Ниже приведены примеры последовательного выполнения технологических операций предлагаемого способа в различных вариантах его использования.

Вариант А. При горизонтальном, пологом и наклонном залегании водоносных трещиноватых горизонтов и сравнительно малых скоростях на начальной стадии формирования изоляционной завесы (зоны I на фиг. 1) бурят и тампонируют две диаметрально противоположные скважины 1 и 5. Затем на промежуточной стадии формирования завесы (зоны II на фиг. 1) бурят и тампонируют пару скважин 3 и 7, расположенных на диаметре, перпендикулярном к первому. На конечной стадии формирования завесы (зоны III на фиг. 1) бурят и тампонируют скважины 2, 4, 6 и 8, расположенные, например, под углом 45^o к первым двум. В процессе закачки тампонажного раствора в каждую скважину непрерывно регистрируют его расход и давление на устье скважины. После закачки в каждую скважину проектного объема тампонажного раствора по формуле (1) рассчитывают среднее значение коэффициента поглотительной способности скважины. Завершив формирование изоляционной завесы, судят о ее качестве, т.е. сплошности в межскважинном пространстве по условиям выполнения требований неравенства (2) и в случае обнаружения нарушения сплошности завесы в скважины, затампонированные на конечной стадии формирования завесы, закачивают дополнительный объем тампонажного раствора.

Например, данные измерений показывают, что коэффициенты поглотительной способности скважин составляют: (k¹ 2,1; k⁵ 2,15; k³ 2,2; k⁷ 2,1; k² 1,9; k⁴ 2,5; k⁶ 1,85; k⁸ 1,8)10^-3 м³/МПас. Средние значения коэффициентов поглотительной способности скважин 2, 6 и 8, затампонированных на конечной стадии формирования изоляционной завесы, ниже в сравнении со средними значениями этих же коэффициентов скважин, затампонированных на начальной и промежуточной стадиях формирования завесы. Исключение составляет значение коэффициента поглотительной способности скважины 4 (k⁴ 2,110^-3 м³/МПа с), которое больше значений этого коэффициента смежных с ней скважин 3 и 5 (k⁵ 2,1510^-3 м³/МПас, k³ 2,210^-3 м³/МПас).

Последнее обстоятельство свидетельствует о нарушении сплошности изоляционной завесы между этими скважинами (см. фиг.1), для его устранения необходимо в скважину 4 закачать дополнительный объем тампонажного раствора, например 25% от его проектного значения. Соблюдение условия неравенства (2) подтверждает нормальное качество созданной изоляционной завесы вокруг горной выработки, в частности между скважинами 4-8 и 1-3.

Для оперативного контроля качества изоляционной завесы в межскважинном пространстве фактор времени в формуле (1) можно опустить, тем более, что его влияние в процессе создания относительно небольших изоляционных завес незначительно.

Вариант Б. При тех же условиях, что указаны выше, но значительной направленной фильтрации подземных вод, на начальной стадии формирования дополнительной изоляционной завесы (зоны IV на фиг. 1) за контуром ствола А на пути потока подземных вод бурят и тампонируют скважины 9, 11, 13 дополнительного ряда. Затем на конечной стадии формирования дополнительной завесы (зоны V на фиг. 1) бурят и тампонируют скважины 10 и 12. В процессе закачки тампонажного раствора в каждую скважину непрерывно регистрируют технологические параметры нагнетания, а после закачки в скважину проектного объема раствора по формуле (1) рассчитывают средние значения коэффициентов поглотительной способности скважин, по которым судят о качестве формирования изоляционной завесы, т. е. сплошности дополнительного изоляционного массива. Результаты измерений, например, показывают, что (k⁹ 2,7; k¹¹ 2,7; k¹³ 2,75; k¹⁰ 3,15; k¹² 2,55)10^-3 м³/МПас.

Эти данные свидетельствуют о нарушении сплошности изоляционной завесы между скважинами 10 и 11. Для устранения этого недостатка в скважину 10 закачивают дополнительный объем тампонажного раствора. После этого полностью осуществляется комплекс работ, приведенный в варианте А. При этом средние значения коэффициентов поглотительной способности основных скважин должны быть ниже в сравнении с теми же коэффициентами смежных с ними скважин дополнительного ряда, как это следует из формулы (3).

Вариант В. При цементации мелко- и тонкотрещиноватых водоносных пород и при цементационных работах на соляных и калийных рудниках с использованием в качестве тампонажных ранее пробуренных замораживающих скважин и метода "треугольников" на начальной стадии формирования дополнительной изоляционной завесы бурят и тампонируют скважины 10, 14 и 18 дополнительного ряда (см. фиг. 1). На промежуточной стадии формирования дополнительной завесы бурят и тампонируют скважины 12, 16, 20, на конечной стадии скважины 9, 11, 13, 15, 17, 19. Завершив формирование дополнительной изоляционной завесы через скважины 9 20, по значениям рассчитанных коэффициентов судят о качестве формирования дополнительной изоляционной завесы. После окончания формирования качественной дополнительной изоляционной завесы приступают к формированию основной изоляционной завесы, как это описано в варианте А. Сплошность основной завесы оценивают с учетом формулы (3).

Предлагаемый способ характеризуется простотой реализации, оперативностью контроля, надежностью и высокой степенью безопасности ведения горных работ в сложных гидрогеологических условиях, низкими затратами за счет исключения работ по дополнительному бурению контрольных скважин и разбуривания затампонированных скважин, низким объемом исследовательского цикла работ.

Формула изобретения

1. Способ формирования изоляционной завесы вокруг горных выработок, включающий бурение нагнетательных скважин вокруг будущего контура этих выработок, стадийное нагнетание тампонажного раствора, предусматривающий непрерывную регистрацию давления на нагнетательном трубопроводе и расхода тампонажного раствора и определение качества изоляционной завесы, отличающийся тем, что на каждой скважине при закачке в водоносный горизонт через скважины данной стадии нагнетания проектного объема тампонажного раствора осуществляют регистрацию расхода последнего, давление на нагнетательном трубопроводе и время нагнетания каждой порции раствора, определяют среднее значение коэффициента поглотительной способности каждой скважины по формуле

где q^m_ij расход j-й порции тампонажного раствора, нагнетаемого в i-й водоносный горизонт скважины, м³/с;
P^m_ij давление на устье скважины при нагнетании j-й порции раствора в i-й водоносный горизонт, МПа;
t^m_ij время нагнетания j-й порции раствора в i-й водоносный горизонт скважины, с;
m номера скважин, тампонируемых на очередной стадии формирования изоляционной завесы,
а качество изоляционной завесы в межскважном пространстве определяют путем сравнения указанных коэффициентов, которое является удовлетворительным, если значения коэффициентов поглотительной способности скважин, затампонированных на конечной стадии формирования завесы, ниже значений коэффициентов поглотительной способности скважин, затампонированных на начальной и промежуточной стадиях формирования завесы:

где _m номера скважин, тампонируемых на конечной стадии формирования изоляционной завесы.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что формирование изоляционной завесы вокруг горных выработок осуществляют под защитой дополнительной изоляционной завесы, располагаемой со стороны напора подземных вод, частично или полностью охватывающей основную завесу и формируемой путем стадийной закачки тампонажного раствора через дополнительный ряд скважин, а качество дополнительной и основной изоляционных завес определяют из условий удовлетворения требований неравенства

где _m номера скважин дополнительного ряда, тампонируемых на начальной и помежуточной стадиях формирования дополнительной изоляционной завесы;
_m номера скважин дополнительного ряда, тампонируемых на конечной стадии формирования дополнительной изоляционной завесы.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что при установлении факта неудовлетворительного качества формирования основной или дополнительной изоляционной завесы в скважины(у), затомпонированные (ую) на конечной стадии формирования соответственно основной или дополнительной изоляционной завесы, заканчивают дополнительный объем тампонажного раствора.

4. Способ по пп. 1 3, отличающийся тем, что формирование изоляционной завесы осуществляют раздельно на каждом водоносном горизонте отдельными группами скважин на каждой стадии выполнения работ, используя при этом метод сближения скважин, либо метод треугольников, либо оба указанных метода совместно.

РИСУНКИ

Рисунок 1