Способ контроля качества тампонажа при сооружении горных выработок

 

Использование: изобретение относится к горному делу, в частности к шахтному строительству, и предназначено для контроля качества тампонажных работ при сооружении горных выработок в обводненных условиях. Сущность: для повышения достоверности оценки качества водоизоляционных работ и сокращения материальных затрат на осуществление работ по контролю качества после нагнетания расчетного количества раствора выключают насос, перекрывают запорный кран нагнетательного трубопровода и замеряют по манометру установившееся остаточное давление, необходимая и достаточная величина которого должна быть больше или равна расчетной величине, определяемой по приведенной формуле. 6 ил.

Изобретение относится к горному делу, в частности к шахтному строительству, и предназначено для контроля качества тампонажных работ, выполняемых при сооружении горных выработок в обводненных условиях.

Известен способ контроля качества тампонажа горных пород, основанный на оценке водопроводимости массива по величине удельного водопоглощения, которое определяют не менее, чем в трех скважинах. Тампонажные работы считают выполненными удовлетворительно, если удельное водопоглощение в контрольных скважинах не превышает 0,01 л/мин на 1 м скважины при напоре 1 м [1].

Недостатками этого способа являются условность и низкая надежность оценки степени водопроводимости затампонированного горного массива, невозможность оценки оставшихся незатампонированных трещин. Кроме того, для осуществления данного способа требуется специальное бурение нескольких скважин, что влечет за собой дополнительные материальные затраты.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ контроля качества тампонажа по режимам нагнетания [2].

Способ базируется на достижении конечного расчетного режима нагнетания, величину которого определяют для условий создания завес с расчетными размерами по формуле: Р_н= ΔР_м + Δ Р_т + Δ Р_тр + Р_к - Р_r, (1) где Δ Р_м - потери напора в манифольдной линии, МПа; Δ Р_т - потери напора в нагнетательном трубопроводе, МПа; Δ Р_тр. - потери давления при распространении тампонажного раствора в трещинах, МПа; ΔР_к - напор подземных вод, МПа; Р_r - гидростатическое давление столба тампонажного раствора в трубах, МПа.

В процессе осуществления тампонажных работ выполняют нагнетание расчетного объема тампонажного раствора и при достижении давления нагнетания расчетной величины нагнетание прекращают.

Дальнейший контроль качества водоизоляции осуществляют методом опрессовки изоляционной завесы, так как контроль качества по режимам нагнетания является только первым критерием оценки качества тампонажных работ.

Несмотря на простоту и возможность оперативного контроля за достижением величин расчетного режима давления нагнетания изобретение имеет недостатки: недостаточно надежен, так как не позволяет сделать вывод о достигнутом качестве водоизоляции; требует проведения дополнительных работ по оценке контроля качества; имеет ограниченную область применения (структурный режим течения раствора), так как при скорости движения тампонажного раствора больше критической V>V_кр в нагнетательном трубопроводе режим течения становится турбулентным, а давление начинает изменяться автомодельно (произвольно), в связи с чем снижается достоверность результатов контроля качества тампонажа; служит лишь для приближенной оценки качества выполнения тампонажных работ.

Целью изобретения является повышение достоверности оценки качества тампонажных работ и сокращение материальных затрат на осуществление работ по контролю качества.

Достигается это тем, что после нагнетания расчетного количества тампонажного раствора выключают насос, перекрывают запорный кран нагнетательного трубопровода и замеряют по манометру установившееся остаточное давление, необходимая и достаточная величина которого должна соответствовать выражению
Р_о.ф. ≥ Р_о.р., (2) где Р_о.ф. - фактическая величина установившегося остаточного давления на манометре, МПа;
Р_о.р. - расчетная величина остаточного давления, МПа.

Расчетное остаточное давление Р_о.р. определяют по формуле
P_o.p.= + P_к (3) где τ_o - динамическое напряжение сдвига тампонажного раствора, Па;
r - расчетный радиус тампонажной завесы, м;
δ - среднее раскрытие трещин тампонируемого массива, м;
ρ- плотность тампонажного раствора, кг/м³;
g - ускорение свободного падения, g = 9,8 м/с²;
Н - глубина залегания кровли тампонируемого интервала, м;
Р_к - напор подземных вод (пластовое давление), МПа.

Способ иллюстрируется фиг.1-6.

П р и м е р. Опытно-промышленные испытания способа проводят при производстве тампонажных работ на вспомогательном стволе шахты "Октябрьская-Южная" ПО "Ростовуголь". Глубина ствола 570 м, диаметр в проходке 7,0 м. Испытания проводят в интервале 270-316 м. Суммарная мощность обводненных горных пород составляет 30,67 м, ожидаемый водоприток в ствол - 5,0 м³/ч, среднее раскрытие трещин δ =1˙ ˙10^-3 м, пластовое давление Р_к = 2,17 МПа.

Согласно "Нормам технологического проектирования угольных шахт" (ВНТП-6) необходимый радиус тампонажной завесы вокруг ствола R = 19,7 м ≈20,0 м, объем тампонажного раствора для формирования этой завесы V = 940,0 м³, количество точек нагнетания - 4.

Тампонажный раствор с помощью насоса 1 через запорный кран 2, нагнетательный трубопровод 3 и герметизирующее устройство (пакер) 5 нагнетают под давлением в скважину 6, откуда раствор поступает в трещины 7, заполняет их, создавая таким образом в обводненном горизонте 8 изоляционную завесу 9. Давление нагнетания фиксируют с помощью манометра 4.

До начала работ по расчетной формуле (3) определяют необходимое граничное значение остаточного давления нагнетания. При проведении расчета используют фактические значения величин, входящих в формулу (3): τ_о=197,0 Па; r = 15,0 м; δ _ср=1,0˙ ˙10^-3 м; ρ =1280 кг/м³; g = 9,8 м/сек²; Р_к = =2,17 МПа; Н = 270,0 м.

P_o.p.= + 2,17=4,7 МПa
После нагнетания в скважину расчетного объема тампонажного раствора V_р^` нагнетание прекращают: выключают насос 1, перекрывают запорный кран 2 и фиксируют на манометре 4 установившееся остаточное давление Р_о.р.. Если остаточное давление на манометре будет меньше расчетного Р_о.р, т.е. Р_о.ф.< 5,0, то нагнетание следует продолжить.

Результаты опытно-промышленных испытаний приведены в таблице.

Общий объем фактически закачанного тампонажного раствора в обводненный интервал составляет 954 м³.

На приведенных фигурах 1-6 показана последовательность формирования изоляционной завесы и контроль за ее качеством.

На фиг. 1 изображен момент, когда водоизоляционная структура завесы не создана, запорный кран 2 перекрыт, а манометр 4 фиксирует резкое падение остаточного давления.

Позиция 9 показывает необходимые размеры водоизоляционной структуры, которую нужно создать, графически это показано на фиг.2.

На фиг.3 изображен момент, когда водоизоляционная структура создана, но размер ее r_ф меньше необходимого r. Остаточное фактическое давление Р_о.ф. в этом случае меньше остаточного давления расчетного Р_о.р. Остаточное давление установившееся, т.е. Р_о не снижается в течение 30 мин (см.фиг.4).

Затампонированная зона показана позицией 10.

На фиг.5,6 изображен момент, когда создана водоизоляционная структура 9 необходимых размеров, т. е. Р_ф> r. Остаточное фактическое давление в этом случае Р_о.ф. немного превышает расчетное в соответствии с выражением (3). Остаточное давление установившееся, т. е. не снижается в течение 30 мин. Трещина 7 с раскрытием δ заполнена тампонажным раствором.

Проведенные испытания подтвердили работоспособность, простоту и полную надежность способа.

Формула изобретения

СПОСОБ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ТАМПОНАЖА ПРИ СООРУЖЕНИИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК, включающий гидродинамические исследования обводненного горизонта, нагнетание в массив тампонажного раствора и определение конечного давления нагнетания, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности оценки качества водоизоляционных работ и сокращения материальных затрат на осуществление работ по контролю качества, после нагнетания расчетного количества тампонажного раствора выключают насос, перекрывают запорный кран нагнетательного трубопровода и замеряют по манометру установившееся остаточное давление, необходимая и достаточная величина которого должна соответствовать выражению
P_о.ф ≥ P_о.р,
где P_о.ф - фактическая величина установившегося остаточного давления на монометре, МПа;
P_о.р - расчетная величина остаточного давления, МПа. При этом расчетное остаточное давление определяют по формуле
P_o.p.= + P_к,
где τ_o - динамическое напряжение сдвига тампонажного раствора, Па;
r - расчетный радиус тампонажной завесы, м;
δ -седнее раскрытие трещин тампонируемого массива, м;
ρ - плотность тампонажного раствора, кг/м³;
g - ускорение свободного падения;
H - глубина залегания кровли тампонируемого интервала, м;
P_к - напор подземных вод (пластовое давление), МПа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6