Способ сооружения шахтных стволов в обводненных неустойчивых породах

 

Использование: в горном деле при строительстве шахт. Сущность: способ включает замораживание горного массива, создание вокруг ледопородного массива водоизоляционный тампонажной завесы путем бурения скважин, нагнетание через них тампонажного раствора для осуществления гидроразрыва и нагнетание в образовавшиеся трещины гидроизоляционного материала, выемку горной породы и крепление ствола шахты. Особенностью способа является то, что создание водоизоляционной завесы осуществляется после замораживания горного массива на границе концентрации температурных напряжений, при этом нагнетание тампонажного раствора осуществляют через обсадные трубы с односторонней перфорацией. Гидроразрыв осуществляют тампонажным раствором низкой плотности, а трещины заполняют тампонажным раствором повышенной плотности. 1 ил.

Изобретение относится к области горного строительства, предназначенного для защиты от водопритоков шахтных стволов и других капитальных горных выработок, сооружаемых в обводненных неустойчивых породах, а также может быть использовано для предотвращения фильтрации (утечек) из отстойников, шламонакопителей и т. п.

Известны следующие способы сооружения шахтных стволов в неустойчивых обводненных горных породах (плывунах): с применением металлического шпунтового ограждения, заключающийся в предварительном ограждении шахтного ствола замкнутым контуром из шпунтин, погружаемых вибропогружателями (вибромолотами), и подмывом, с последующей выемкой пород и креплением в огражденной зоне обычным способом; способ искусственного понижения подземных вод, заключающийся в сооружении вокруг ствола специальных дренажных выработок и в откачке воды из них; способы предварительной цементации (с поверхности земли всего участка водоносных горных пород, из забоя ствола с одного горизонта, из забоя ствола с различных горизонтов отдельными заходками), заключающиеся в создании водоизоляционных завес вокруг ствола путем нагнетания цементных растворов; химические способы упрочения неустойчивых грунтов, заключающиеся в нагнетании в грунт химических растворов, вступающих во взаимодействие друг с другом и с окружающей породой и образующих изоляционную завесу.

Все эти способы непосредственно в обводненных неустойчивых породах (плывунах) малоэффективны и требуют больших трудозатрат.

В настоящее время при сооружении шахтных стволов и других капитальных горных выработок в обводненных неустойчивых породах наиболее эффективным является способ проходки шахтных стволов с предварительным замораживанием горных пород.

Способ заключается в следующем: в водоносных неустойчивых породах вокруг места расположения будущего шахтного ствола создают временное ледовое ограждение, защищающее ствол от проникновения в него воды или плывуна во время его проходки; осуществляют выемку горной породы в замороженной зоне; выполняют крепление шахтного ствола (как правило, чугунными тюбингами).

Способ этот имеет ряд недостатков.

Во-первых, после окончания срока заморозки водопритоки в ствол возобновляются и часто достигают величин, недопустимых СНиП, что требует дополнительных затрат по их устранению.

Во-вторых, этот способ требует повышенного крепления шахтного ствола. В основном приходится применять тюбинговую крепь, что является трудоемкой и дорогостоящей операцией.

Целью заявляемого изобретения является повышение надежности водоизоляции и сокращение материальных затрат при сооружении шахтного ствола.

Поставленная цель достигается тем, что после создания ледового ограждения (путем искусственного замораживания) вокруг ледопородной зоны создают водоизоляционную тампонажную завесу, для чего в охлажденной зоне по границе концентрации температурных напряжений бурят скважину в глубину неустойчивого массива, обсаживают их трубами с односторонней перфорацией и путем нагнетания тампонажного раствора низкой плотности осуществляют гидроразрыв в зоне концентрации температурных напряжений, а затем в образовавшиеся трещины нагнетают тампонажный раствор повышенной плотности. В качестве тампонажного раствора используют глиноцементный раствор.

На чертеже показана схема осуществления способа.

На ней приняты следующие обозначения: 1 шахтный ствол; 2 замороженный массив (ледовый цилиндр); 3 охлажденная зона; 4 скважина; 5 - искусственная трещиноватость; 6 контур тампонажной завесы.

Способ осуществляют в следующей последовательности.

На месте расположения будущего шахтного ствола 1 путем искусственного замораживания (любым известным способом) создают ледовой цилиндр 2, вокруг ледового цилиндра 2, на границе зоны концентраций напряжения 3 с поверхности бурят скважины 4 на глубину неустойчивого массива; обсаживают скважины трубами с односторонней перфорацией; путем гидроразрыва создают искусственные направленные трещины 5 в зоне концентрации температурных напряжений, для чего в скважины под давлением нагнетают тампонажный раствор низкой плотности; нагнетая в скважины тампонажный раствор повышенной плотности, формируют вокруг ледового цилиндра изоляционную тампонажную завесу 6; производят выемку горной породы в пределах будущего шахтного ствола; осуществляют крепление шахтного ствола облегченной крепью (например, бетонной).

Пример конкретного выполнения. При строительстве восточного вентиляционного ствола шахты им. Октябрьской революции ПО Ростовуголь проектной глубиной 379 м и диаметром ствола в проходке 6,6 м в интервале 17,3 39,0 м был вскрыт горизонт, представленный плывунными мелкозернистыми заглинизированными песками.

Было принято решение сооружение интервала 17,3 39,0 м осуществить заявленным способом, т. е. с комплексом работ по замораживанию горных пород и последующим формированием тонкой изоляционной завесы за ледопородным контуром.

Комплекс работ по опытно-промышленному испытанию способа был следующий.

Для формирования ледопородной завесы вокруг шахтного ствола пробурено 30 замораживающих скважин глубиной 50 м.

Искусственное замораживание выполнено хладоносителем водным раствором хлористого кальция плотностью 1270 кг/м³. Хладоноситель охлаждался до принятой проектом температуры ( -20^oC) в испарителях замораживающей станции. С течением времени вокруг каждой замораживающей колонки образовался массив замороженного грунта цилиндрической формы.

Необходимые расчеты по замораживанию: толщина ледопородного ограждения определялась по формуле Лямэ:
где D_пр 6,6 м диаметр ствола в проходке
σ_c- 4МПа сопротивление замороженного песка одноосному сжатию;
ρ 1МПа суммарная величина горного и гидростатического давления на глубине H 50 м залегания песка-плывуна.

Подставляя в выражение (1) численное значение входящих величин, получим:

Диаметр окружности расположения устья замораживающих скважин с учетом их допустимого отклонения от проектного профиля определяется по формуле:
D₃ D_np + 2·0,6E + 2a,
где E толщина ледопородного ограждения, м;
a 0,005H допустимое отклонение замораживающих скважин, м;
H глубина скважины, м,
D₃ 6,6 + 2·0,6 · 1,5 + 0,005 · 50 8,9 м.

С учетом технологического фактора (диаметр опорного венца устья ствола составляет 10 м) принимаем D₃ 11,0 м.

Радиус замораживания пород и максимальное расстояние между колонками определяем из выражения:

где l расстояние между замораживающими колонками (l 1,44 м);
l_m максимальное расстояние между замораживающими колонками, м (l_m 1,7 м).

Наружный диаметр ледопородного контура определяется из выражения:
D_н.к. D₃ + 2R₃ 11,0 + 2·1,25 13,5 м (4)
Принимаем D_н.к. 13,5 м.

Располагаем тампонажные скважины на 0,5 м далее созданного ледопородного контура:
D_рс 13,5 м + 0,5 м 14 м
За ледопородным контуром, в охлажденной зоне, т. е. в зоне с температурой ±0^oC, пробурены тампонажные скважины.

Расстояние между тампонажными скважинами:

где n необходимое количество тампонажных скважин.

Скважины обсажены трубами с односторонней перфорацией (направление перфорации в сторону ледопородного контура).

Осуществляли нагнетание тампонажного глиноцементного раствора с целью создания искусственной трещиноватости.

Длина трещин гидроразрыва определится из выражения:

где L длина трещин гидроразрыва, м;
n число тампонажных скважин;
β₁ коэффициент запаса по расстоянию между скважинами;
β₂ коэффициент запаса по длине развития трещины гидроразрыва;

Среднее раскрытие трещин гидроразрыва и гидрорасчленения:

где δ - среднее раскрытие трещин гидроразрыва, м;
ΔP - перепад давления при гидроразрыве тампонажным раствором горных пород, МПа;
E модуль деформации горных пород, МПа; (для песков E 5 МПа);
γ - коэффициент Пуассона (для песков γ 0,3).

DP = (1-γ)(2P₈+σ_p),

P_г полное горное давление, МПа;
P_к пластовое давление подземных вод (0,1 МПа), МПа;
P₈ боковое горное давление, МПа;
s_p - предел прочности пород на разрыв, МПа.

где плотность вышележащих слоев горных пород,

Давление гидроразрыва на насосе (P_тн)

где P_к напор подземных вод, МПа;
ΔP_тp - потери напора при течении раствора в трубах, МПа;
P_ст. гидростатическое давление столба тампонажного раствора в скважине

где L₁ длина нагнетательного трубопровода, м;
τ_o- динамическое напряжение сдвига, ПА;
d_вн. внутренний диаметр нагнетательного трубопровода, м;

где ρ_т.p.- плотность тампонажного раствора, кг/м³;
P_т.н. 0,1 + 0,36 + 1,03 0,22 1,71 МПа.

В качестве тампонажного материала принимаются глиноцементные растворы, состав и свойства которых приведены ниже.

В качестве жидкости гидроразрыва был использован глиноцементный раствор плотностью 1230 кг/м³, динамическим напряжением сдвига 66 Па, пластической прочностью 1,6 МПа, приготавливаемый на основе глинистого раствора плотностью 1180 кг/м³ с добавлением 100 кг сульфатостойкого портландцемента на 1 м³ раствора и 10 кг жидкого стекла.

Непосредственно тампонаж осуществлялся глиноцементным раствором плотностью 1280 кг/м³, динамическим напряжением сдвига 197 Па, пластической прочностью 2,6 МПа, приготавливаемый на основе глинистого раствора плотностью 1230 кг/м³, с добавлением 100 кг сульфатостойкого портландцемента на 1 м³ раствора и 10 кг жидкого стекла.

Объем тампонажного раствора для создания тонкой завесы определится из выражения:
V=K·L·M·δ·n , (14)
где М мощность водоносного горизонта, м (М 21,7 м);
k коэффициент, учитывающий отфильтровывание жидкой фазы, а также отклонение средней величины раскрытия трещин и их длины (k 2^oC3)
V 3 · 8,4 · 21,7 · 0,072 · 8 315 м ³.

Осуществлено нагнетание расчетного количества вышеприведенного глиноцементного раствора, в результате чего была сформирована изоляционная тампонажная завеса толщиной 1 м за ледопородным контуром. На создание тонкой инъекционной завесы было израсходовано 40 м³ глиноцементного раствора пониженной плотностью 1230 кг/м³ и 300 м³ глиноцементного раствора плотностью 1280 кг/м³.

Нагнетание тампонажного раствора осуществлялось комплексом цементировочного оборудования по зажимной схеме, методом последовательного сближения скважины.

Проходка ствола осуществлялась под защитой ледопородного контура и тонкой инъекционной завесы. После закрепления ствола бетонной крепью замораживающие колонки извлекаются, а скважины ликвидируются.

Проходка ствола в закрепленном интервале прошла успешно.

После размораживания горных пород притока воды и нарушений плотности крепи не было.

Формула изобретения

Способ сооружения шахтных стволов в обводненных неустойчивых породах, включающий замораживание горного массива, создание вокруг ледопородного массива водоизоляционной тампонажной завесы путем бурения скважин, нагнетание через них тампонажного раствора для осуществления гидроразрыва и нагнетание в образовавшиеся трещины гидроизоляционного материала, выемку горной породы и крепление ствола, отличающийся тем, что создание водоизоляционной завесы осуществляют после замораживания горного массива на границе концентрации температурных напряжений, при этом нагнетание тампонажного раствора осуществляют через обсадные трубы с односторонней перфорацией, причем гидроразрыв осуществляют тампонажным раствором низкой плотности, а трещины заполняют тампонажным раствором повышенной плотности.

РИСУНКИ

Рисунок 1