Способ формирования водонепроницаемого экрана в трещиноватых обводненных горных массивах с использованием тампонажа

Изобретение относится к горной и горно-химической промышленности, используется для ограждения и охраны трещиноватого горного массива от возможного проникновения за пределы создаваемого экрана жидких растворов. Способ включает бурение параллельных рядов скважин или шпуров, размещение в них зарядов ВВ в шахматном порядке, рассредоточенных заполненными промежутками. Длина промежутка равна длине заряда. Одновременное камуфлетное взрывание зарядов ВВ с центральным инициированием. Заполнение оставшихся после взрыва пустот бетонным раствором. Для образования тампонированного массива определяют радиус заряда ВВ, длину заряда ВВ. В верхней части на контакте водоносный горизонт - массив формируют запирающий заряд. Промежутки заполняют тампонирующим материалом, который формируют следующим составом: в агрессивных безнапорных средах - битум или смолы; в неагрессивных напорных средах - цемент; в агрессивных напорных средах - битум или смолы, дополнительно определяют радиус образующейся затампонированной зоны смятия от заряда, радиус образующейся затампонированной зоны в промежутках между зарядами, расстояние между обуренными скважинами или шпурами в ряду, длину запирающего заряда и радиус затампонированной зоны трещин. Способ позволяет повысить эффективность и безопасность работ. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к горной и горно-химической промышленности и может быть использовано для ограждения и охраны трещиноватого скального горного массива от притоков воды в выработанное пространство.

Известны способы тампонажа и замораживания горного массива с целью закрепления и ограждения от водопритока окружающего трещиноватого горного массива (И.Д. Насонов, М.Н. Шуплик, В.И. Рясин - Технология строительства горных предприятий М.: Недра, 1990. - 146 - 190; 191 - 259 с.).

Недостатками тампонажа являются: большой расход тампонажных растворов, невозможность использования тампонажа в агрессивных средах, отсутствие 100%-ной гарантии от проникновения воды (а лишь только могут снизить объем утечек и проникновения воды). Что касается замораживания, то с помощью этого способа можно создать ледогрунтовый барьер, который необходимо постоянно поддерживать, что значительно удорожает данный способ.

Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому результату является способ формирования водонепроницаемого железобетонного экрана в трещиноватых обводненных горных массивах (Патент RU на изобретение №2470117, А.П. Андриевский, А.Е. Зуев, МПК Е02D 19/18 (2006.01), F42D 1/08 (2006.01, E02D 5/20 (2006.01)), опубликовано 20.12.2012 г.).

Недостатками способа являются: высокая стоимость предлагаемого способа (не всегда возникает необходимость формирования высокопрочного, устойчивого ограждения и может быть эффективен в случае формирования экрана внутри создаваемого резервуара).

Целью предлагаемого изобретения является снижение себестоимости, повышение надежности и эффективности создаваемого водонепроницаемого экрана в трещиноватых скальных горных породах, позволяющей оградить эксплуатируемый участок от проникновения водных рассолов, находящихся как под большим давлением, так и безнапорных в агрессивных и неагрессивных средах.

Повышение надежности достигается за счет того, что при взрыве заряда (при центральном инициировании) за зоной смятия образуется минимальная для данных условий зона трещин в виде сферы, заполняемых тампонажным материалом, создавая таким образом дополнительный экран высокой прочности (так как прочность подобных поверхностей определяются по пределу прочности на сжатие), препятствующий проникновению рассолов за его пределы (предохраняют зону смятия), а в высоконапорных средах с целью повышения срока службы и исключения выдавливания сформированного экрана оставшиеся пустоты (скважины, шпуры) заполняются твердеющей смесью.

С этой целью в известном способе, включающем бурение скважин или шпуров по контуру на расстоянии друг от друга, равном радиусу образующейся при взрыве суммарной зоны смятия ограждаемого участка, размещение в них зарядов ВВ и тампонирующего материала в шахматном порядке (размер заряда определяется в зависимости от физико-механических свойств массива мощности применяемого ВВ и объема тампонирующего материала) промежутками, заполняемыми тампонирующим материалом, размер которых равен длине заряда, размещение в верхней части на контакте водоносный горизонт - массив запирающего заряда (препятствующего выбросу тампонирующего материала из скважины) длиной, определяемой в зависимости от места инициирования заряда, при одновременном камуфлетном их взрывании, с последующим заполнением в высоконапорных средах оставшихся после взрыва скважин (шпуров) твердеющими смесями.

Способ поясняется чертежами: на Фиг.1 показана схема расположения скважин или шпуров запирающих зарядов (1), промежутков, заполненных тампонируемым материалом (5), уровень водоносного горизонта (2), капсюль-детонатор (3) и ВВ (4),на Фиг.2 показана зона трещин, заполненных тампонажным материалом (1), на Фиг.3 - схема образования водонепроницаемых экранов.

Способ осуществляется следующим образом. По проектному контуру ограждаемого участка бурят скважины или шпуры таким образом, что расстояние между скважинами или шпурами равно суммарному размеру образующейся при взрыве зоны смятия (r_см0=r_см1+r_см2; не более этой величины), размещают в обуренных скважинах или шпурах рассредоточенные заряды длиной l и тампонируемый материал длиной l_в (1 - битум или смолы в агрессивных безнапорных средах; 2 - цемент в неагрессивных находящихся под давлением средах; 3 - битум или смолы в агрессивных высоконапорных средах) в шахматном порядке, длина которых равна длине заряда; размещают в верхней части контакта водоносный горизонт - массив запирающий заряд длиной l_з с последующим заполнением в высоконапорных средах оставшихся после взрыва скважин (шпуров) твердеющими смесями.

Радиус заряда определяется следующим образом:

где r_з - радиус сформированного заряда, см;

r_в - радиус обуренных шпуров (скважин), см;

P₁ - давление, развиваемое продуктом детонации, Па;

Д - скорость детонации, м/с;

q - плотность заряжания, кг/м³;

; n - объем заполняемых пустот при тампонаже, д. ед.;

σ_сж - предел прочности породы на сжатие, Па.

Величина r_см1 определяется:

где r_см1 - радиус образующейся затампонированной зоны смятия от заряда, см;

d_в - диаметр заряжаемых скважин (шпуров), см.

Длина заряда при центральном инициировании определяется:

где C_P - скорость распространения продольной волны в массиве, м/с.

Величина r_см2 определяется:

где r_см2 - радиус образующейся затампонированной зоны в промежутках между зарядами, см;

P₂ - давление, образующееся на контакте тампонирующий материал - массив, Па.

Суммарный размер образующейся зоны смятия определяется следующим образом:

Длина заполняемого тампонажным материалом промежутка равна длине заряда:

Длина запирающего заряда определяется:

- при центральном инициировании:

- при обратном инициировании:

- при прямом инициировании:

Радиус затампонированной зоны трещин определяется:

Существо и пример конкретного выполнения способа заключается в следующем:

Определяются горно-геологические и горно-технические условия трещиноватого массива:

Пример 1: необходимо создать водонепроницаемый экран в породах с пределом прочности на сжатие - 100 МПа; скорость распространения продольной волны - 7000 м/с; диаметр скважины 0,1 м; плотность заряжания - 1000 кг/м³; ВВ - аммонал (скорость детонации - 4500 м/с). Коэффициент K при объеме пустот 3% - высоконапорная среда.

При центральном инициировании скорость детонации увеличивается в два раза, так как детонация идет в обе стороны от точки инициирования, а при прямом и обратном инициировании используется средняя стандартная для данного типа ВВ.

1. Определить давление, развиваемое продуктом детонации (согласно формулам 2 и 7):

2. Определить радиус сформированного заряда (согласно формуле 1):

3. Определить минимальную длину заряда (при центральном инициировании, согласно формуле 4), обеспечивающую формирование в массиве зоны смятия:

Определить длину запирающего заряда (при центральном инициировании, согласно формуле 9):

4. l_з=20,92 см

5. Определить длину заполняемого тампонажным материалом промежутка (согласно формуле 8):

l_в=l≈20,92 см

6. Определить радиус образующейся при взрыве зоны смятия (согласно формулам 3, 5, 6):

r_см0=29,18+34,78=63,97 см

Определить радиус затампонированной зоны трещин (согласно формуле 12):

Пример 2: необходимо создать водонепроницаемый экран в породах с пределом прочности на сжатие - 120 МПа; скорость распространения продольной волны - 6000 м/с; диаметр скважины 12 см; плотность заряжания 1200 кг/м³; ВВ - гранулит АС-8 (скорость детонации - 4000 м/с). Коэффициент К при объеме пустот 2%

.

1. Определить давление, развиваемое продуктом детонации (согласно формулам 2 и 7)

2. Определить радиус сформированного заряда (согласно формуле 1)

$$r_{з}=\frac{-\frac{4\times 6\times 9600}{120}+\sqrt{{\left(\frac{4\times 6\times 9600}{120}\right)}^2+4\times 50\times 6^2\times (50+1)}}{2\times 50}=\mathrm{0,93}\text{ см}$$

3. Определить минимальную длину заряда (при центральном инициировании, согласно формуле 4), обеспечивающую формирование в массиве зоны смятия:

Определить длину запирающего заряда (при центральном инициировании, согласно формуле 9):

4. l_з=31,75 см.

5. Определить длину заполняемого тампонажным материалом промежутка (согласно формуле 8):

l_в=l≈31,75 см.

6. Определить радиус образующейся при взрыве зоны смятия (согласно формулам 3, 5, 6):

r_см0=42,34+33=75,34 см.

7.Определить радиус затампонированной зоны трещин (согласно формуле 12):

Имея все необходимые данные, приступаем к обуриванию, заряжанию и взрыванию трещиноватого обводненного горного массива, заряды во взрываемых (соседних) скважинах или шпурах располагаем в шахматном порядке длиной 20,92 пример 1 (длиной 31,75 см. пример 2), длина промежутков с тампонажным материалом 20,92 см. пример 1 (длина 31,75 см пример 2) на расстоянии между скважинами - 63,97 см. пример 1 (75,34 см. пример 2), длина запирающего заряда 20,92 см. пример 1 (31,75 см. пример 2). В первом варианте заполняем оставшиеся после взрыва пустоты твердеющей смесью.

Таким образом, предлагаемый способ имеет следующие преимущества по сравнению с прототипом: позволяет сформировать прочный водонепроницаемый экран в скальных обводненных горных породах за счет образующейся зоны смятия; сформировать дополнительный затампонированный экран в зоне трещин в виде сферы, препятствующий проникновению рассолов к зоне смятия; получить оптимальное количество скважин или шпуров для конкретных горно-геологических и горнотехнических условий; учесть мощность применяемого ВВ; диаметр скважин или шпуров в которых формируется заряд и прочностные характеристики массива; определить длину заряда и промежутка с тампонирующим материалом для конкретных горно-геологических и горно-технических условий; определить объем тампонажного материала и в зависимости от этого размер образующейся зоны смятия; позволяющий сформировать как зону смятия, так и затампонированную минимальную для данных условий зону трещин в виде полусферы, препятствующую проникновению рассолов за ее пределы (предохраняющую зону смятия).

1. Способ формирования водонепроницаемого экрана в трещиноватых обводненных горных массивах с использованием тампонажа, включающий бурение параллельных рядов скважин или шпуров, размещение в них зарядов ВВ в шахматном порядке, рассредоточенных заполненными промежутками, при этом длина промежутка равна длине заряда, одновременное камуфлетное взрывание зарядов ВВ с центральным инициированием, последующее заполнение оставшихся после взрыва пустот бетонным раствором, при этом для образования тампонированного массива определяют радиус заряда ВВ, длину заряда ВВ, отличающийся тем, что в верхней части на контакте водоносный горизонт - массив формируют запирающий заряд, промежутки заполняют тампонирующим материалом, который формируют следующим составом: в агрессивных безнапорных средах - битум или смолы; в неагрессивных напорных средах - цемент; в агрессивных напорных средах - битум или смолы, дополнительно определяют радиус образующейся затампонированной зоны смятия от заряда, радиус образующейся затампонированной зоны в промежутках между зарядами, расстояние между обуренными скважинами или шпурами в ряду, длину запирающего заряда и радиус затампонированной зоны трещин.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что расстояние между обуренными скважинами или шпурами в ряду определяется из выражения:
r_см0=r_см1+r_см2,
где r_см1 - радиус образующейся затампонированной зоны смятия от заряда, см;
r_см2 - радиус образующейся затампонированной зоны в промежутках между зарядами, см;

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что длина запирающего заряда определяется из выражения:
l_з=l
где l_з - длина запирающего заряда, см;
l - длина заряда, см.