CC BY
122
© В. Дудзинский, 2006
УДК 622.272 В. Дудзинский
АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СПОСОБОВ ВОДОПОДАВЛЕНИЯ МЕТОДОМ ТАМПОНАЖА ПРИ ПРОХОДКЕ СТВОЛОВ
У'Л бводненность горных пород является одним из факторов, снижающим скорость проходки вертикальных стволов. Для предупреждения притока подземных вод в стволы, сооружаемых в крепких породах, применяют тампонаж - искусственное заполнение трещин и полостей в горных породах различными тампонажными материалами через скважины под давлением. Обводненность крепких горных пород характеризуется, как правило, трещиноватостью,
пористостью или закарстованностью. В зависимости от характера обводненности для ее подавления применяют цементацию, комплексный метод тампонажа, химизацию, электрохимический способ и реже глинизацию, битумизацию, силикатизацию. Область применения каждого из перечисленных специальных способов тампонажа при-веденараса&ют{).енных видов тампонажа при строительстве стволов в городских условиях применимы следующие виды: цементация, комплексный метод тампонажа, химизация.
Комплексный метод тампонажа базируется на исходной геологической информации о каждом водоносном горизонте в разрезе ствола и о результатах выполнения дорогостоящих расходометрических и гидродинамических исследованиях в контрольных скважинах.
Химизацию рекомендуется применять для создания ПФЗ вокруг стволов, проходимых в обводненных песках с Кф = 0,5-5 м/сут или реже в трещиноватых и пористых породах. Этот вид тампонажа отличается высокой стоимостью материалов и сложным дозировочным оборудованием. Наиболее рациональным способом является цементация.
В горно-строительной практике в зависимости от времени производства цементационных работ по отношению к периоду проведения горной выработки различают предварительную и последующую цементацию.
Предварительную цементацию зоны трещиноватых пород осуществляют до проведения горной выработки через опережающие скважины, буримые
внутри горной выработки вдоль ее трассы. Предварительную цементацию можно производить с земной поверхности до начала проходки или из забоя ствола в процессе проходки, чередуя последовательно цементационные и проходческие работы. Предварительная цементация с земной поверхности, в зависимости от мощности водоносных горизонтов и их гидрологической характеристики, может быть выполнена сразу на полную глубину зоны или отдельными за-ходками, цементируемыми сверху вниз или снизу вверх. Предварительную цементацию трещиноватой зоны определенной
Таблица 1
Область применения специальных способов тампонажа
Вид тампонажа Горно-геологические условия
1 2
Цементация Скальные трещиноватые горные породы с раскрытием трещин не менее 0,15-0,2 мм и скоростью движения подземных вод менее 600 м/сут. Гравелистые горные породы, свободные от песчано-глинистых примесей с крупностью зерен гравия более 2 мм. Крупнозернистые пески с диаметром зерен не менее 0,8 мм. Удельное водопогло-щение более 17х10-6 м3/с-м-МПа. При агрессии подземных вод применяются специальные виды цемента.
Комплексный метод тампонажа Трещиноватые горные породы с раскрытием трещин не менее 0,15 мм, закарстованные породы с раскрытием карстов 3-5 мм и более. Гравелистые горные породы. Свободные от песчано-глинистых примесей с крупностью зерен гравия более 2 мм. Трещиновато-пористые породы с коэффициентом фильтрации не менее 1.5 м/сут (дает снижение водопри-тока на 70-80 %). Скорость движения и рН подземных вод не ограничиваются.
Химизация Трещиноватые, трещиновато-пористые и зернистые горные породы с коэффициентом фильтрации от 0,5 до 50 м/сут. Минимальный размер частиц несвязного массива 0,01-0,05 мм.
Электрохимический способ Пористые горные породы с размером пор менее 1х10-5 м, коэффициент фильтрации 5х10-3 м/сут. Неустойчивые глины, супеси, мелкозернистый песок с крупностью зерен менее 0,01 м и коэффициентом фильтрации менее 0,05 м/сут.
Глинизация При использовании тонкодисперсных глин те же, что и при цементации.
Битумизация Скальные трещиноватые горные породы с раскрытием трещин не менее 0,5-0,6 мм. Гравелистые породы без песчаноглинистых примесей с крупностью зерен гравия более 2 мм. Удельное водопоглощение 85х10'6м3/с-м-МПа. Гидростатическое давление подземных вод не более 0,3 МПа. Скорость движения подземных вод не ограничивается.
Двухрастворная силикатизация Пески с коэффициентом фильтрации от 2 до 80 м/сут. Скорость движения подземных вод менее 5 м/сут, рН- не менее 9.
Однорастворная силикатизация Пески с коэффициентом фильтрации от 0,5 до 5 м/сут. Скорость движения подземных вод не более 8 м/сут. рН-менее 7.
глубины под защитой искусственных перемычек (тампонажных подушек) или оставляемых монолитных целиков породы.
Таблица 2
Технологические схемы цементационных работ
При значительной мощности водоносной зоны применяют комбинированную схему цементации: верхнюю
часть зоны цементируют с земной
Наименование технологической схемы цементации Характерные особенности и условия применения
1.Предварительная цементация Осуществляется до проходки шахтного ствола по трещиноватым водоносным породам
1.1. Цементация с земной поверхности (из устья ствола) Работы по бурению и цементации скважин выполняют в подготовительный период строительства шахты, чем создаются предпосылки для достижения более высокой скорости проходки ствола в водоносных породах. Применяют при наличии мощной толщи водоносных пород, залегающей неглубоко от поверхности (средние и крупные трещины горизонтального и наклонного направления). Недостатки - значительное отклонение скважин, возможность пропуска трещин и снижения качества работ, трудность контроля качества цементации, ограничение возможности в исправлении брака, высокая стоимость бурения скважин.
А) цементация одной заходки Каждую скважину бурят до конечной глубины и цементируют в один прием, благодаря чему обеспечиваются минимальные затраты времени. Применяют при неглубоком залегании водоносного горизонта, сравнительно небольшой мощности трещиноватой толщи с однородными редкими трещинами.
Б) цементация заходками сверху вниз Водоносную зону разбивают на заходки, цементируемые сверху вниз. Применяют при значительной мощности водоносной зоны, представленной водоносными горизонтами с различной трещиноватостью, требующими различного режима цементации. Может выполняться в двух вариантах: - без применения пакеров, что приводит к большому объему разбуривания скважин; - с применением пакеров, устанавливаемых в кровле каждой заходки. Схема эффективна благодаря тому, что позволяет по мере углубления скважин безопасно повышать давление при нагнетании раствора, поскольку вышележащие горизонты зацементированы. Недостаток схемы - большие потери времени на спус-ко-подъемные операции при переходе от бурения к цементации и от цементации к бурению.
В) цементация заходки снизу вверх Условия применения те же. Каждую скважину бурят сразу до конечной глубины и инъектируют с применением пакеров последовательно заходками, перемещаясь снизу вверх. Пакер устанавливают на участке пласта плотных и крепких пород. Достоинство схемы - минимальные затраты на спускоподъемные операции. Недостаток- возможность осложнений в процессе нагнетания цемента вследствие прорыва раствора вокруг пакера.
1.2. Цементация из забоя ствола. Применяют при глубоком залегании разобщенных
водоносных горизонтов с любым характером трещиноватости.
Достоинства схемы - маневренность, удобство изменения направления и числа скважин в зависимости от направления трещин и характера трещиноватости. Имеются возможности сравнительно быстрой поверки качества цементации и визуального осмотра зацементированного участка для последующей корректи-овки технологии работ, оперативного изменения рецептуры раствора и режима нагнетания в зависимости от выявляемого характера трещиноватости.
Недостатки - сравнительно большие затраты времени и средств на возведение тампонажных подушек, снижение скорости проходки ствола, повышение стоимости работ.
А) цементация одной заходкой (участком)
Применяют при сравнительно небольшой мощности водоносного горизонта с однородной трещиноватостью.
Эта схема наиболее распространена.
Б) цементация заходками сверху вниз
Участок цементации разбивают на несколько захо-док, цементируемых сверху вниз. Применяют при наличии горизонтов с различным характером трещиноватости, требующих различных рецептур растворов и режима инъектирования, а также в случае крайне неоднородной трещиноватости массива горных пород.
Может осуществляться в двух вариантах:
- с применением пакеров;
-без применения пакеров.
Последний вариант связан с повышенным объемом разбуривания скважин.
Достоинства цементации скважин - возможность дифференцирования (следовательно, более качественной) цементации отдельных заходок. А также возможность безопасного повышения давления раствора на нижних заходках.
Недостаток - существенные потери времени на спус-ко-подъемные и другие операции.
В) цементация заходками снизу вверх
Скважины бурят сразу до конечной глубины участка и последовательно инъектируют определенными за-ходками с применением пакера, перемещаясь снизу вверх.
Достоинства схемы- минимальные потери времени.
Недостаток- возможность осложнений вследствие прорыва раствора вокруг пакера.
2. Последующая цементация
Осуществляется после проходки горной выработки и возведения постоянной крепи.
Схема позволяет ликвидировать остаточный водо-приток или газовыделение в горную выработку; заполнить различные пустоты за крепью для предотвращения возможных смещений, вывалов породы, осадки кровли и земной поверхности, повысить устойчивость ослабленных пород или укрепить нарушенный массив, обеспечить плотный и прочный контакт между породной стенкой и крепью для равномерной передачи на нее горного давления и обеспечения совместной работы крепи с окружающим массивом; усилить крепь горной выработки и предотвратить ее деформацию.
поверхности, а нижнюю, глубокозале-гающую - из забоя ствола в процессе его проходки. Последующую цементацию трещиноватой зоны выполняют после проведения в этой зоне горной выработки че-
рез скважины, буримые, как правило, сквозь крепь в радиальном или наклонном к оси направлении. Технологические схемы цементационных работ при сооружении стволов приведены в табл. 2.
— Коротко об авторах -----------------------------------------------------------
Дудзинский В. - аспирант, кафедра «Строительство подземных сооружений и шахт» (СПСИШ) Московский государственный горный университет.
--------------------------------------------------- РУКОПИСИ,
ДЕПОНИРОВАННЫЕ В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ
МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА
1. Миронов В.А., Зюзин Б.Ф., Епишев А.И. Инварианты предельных состояний в задачах геомеханики. Тенденции и современные подходы (521/12-06 — 05.10.06) 39 с.
2. Новопашин Л.А. Исследование физических характеристик распыленного топлива при низких температурах на пусковых режимах (522/12-06 — 06.10.06) 6 с.
3. Кубрин С.С., Федунец Н.И., Чудинов С.Г. Интеллектуальная система оценки и прогноза развития нештатных ситуаций в шахте (523/12-06 — 06.10.06) 2 с.
