СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ТРЕЩИНОВАТЫХ ГОРНЫХ ПОРОД
METHOD FOR STRENGTHENING OF CRACKED ROCKS

Изобретение относится к горному делу, а именно к способам инъекционного упрочнения трещиноватых горных пород вокруг выработок цементными растворами.
Известен способ упрочнения пород (а.с. СССР №973852, МПК E21D 11/00, опубл. 15.11.1982, бюл. №42), включающий бурение скважин, нагнетание в одни из них упрочняющего раствора с одновременной откачкой воздуха и контролем истечения упрочняющего раствора из соседних скважин.
Недостатком данного способа является то, что, несмотря на уменьшение подпора воздуха в инъецируемых трещинах, проникающая способность упрочняющего цементационного раствора будет ограничена величиной их раскрытия. При достижении величины раскрытия трещины около двух-трех диаметров проходящих твердых частиц цемента (в некоторых случаях даже четырех) происходит их механическое заклинивание, а дальнейшее откачивание воздуха из трещин приведет только к фильтрационному движению жидкой фазы цементационного раствора. Таким образом, часть тонких трещин, которые так же, как и крупные нарушают сплошность массива, остается не заполнена цементационным раствором. Также, продвигаясь по пути наименьшего сопротивления по наиболее крупным трещинам, цементационный раствор через них начнет изливаться в скважину, из которой откачивают воздух, оставив не заполненной часть более тонких трещин. Тем самым снижается эффективность упрочнения трещиноватых горных пород вокруг выработок.
Известен способ упрочнения горных пород (а.с. СССР №768990, МПК E21D 1/16, опубл 07.10.1980, бюл. №37), принятый за прототип, включающий бурение нагнетательных и вокруг них дренажных скважин, нагнетание цементационного раствора в породы через нагнетательные скважины, отфильтровывание и удаление жидкой фазы цементационного раствора через фильтрующий материал дренажных скважин.
Недостатком данного способа является то, что при нагнетании цементационного раствора в систему трещин качество цементации горных пород снижается по мере удаления потока от места инъецирования. Происходит приращение суммарного сопротивления движению потоков цементационного раствора как по длине инъецируемой трещины, так и вдоль оси скважины за счет кольматации и седиментации частиц цемента, сопровождаемых взаимоналожением потоков фильтрата из трещин более удаленных уровней. Также, несмотря на наличие дренажных скважин, процесс отфильтровывания излишней для процесса гидратации жидкой фазы цементационного раствора происходит только под давлением нагнетания. При этом значительная часть излишней жидкой фазы (применяют жидкие цементные растворы для увеличения их проникающей способности), не преодолев возрастающего сопротивления по длине трещины, отфильтровывается в трещиноватые горные породы, что приводит к их размоканию, снижению прочности и несущей способности. Таким образом, снижается эффективность упрочнения трещиноватых горных пород вокруг выработок.
Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности упрочнения трещиноватых горных пород вокруг выработок.
Указанная задача достигается тем, что в способе упрочнения трещиноватых горных пород, включающем бурение нагнетательных и вокруг них дренажных скважин, нагнетание цементационного раствора в породы через нагнетательные скважины, отфильтровывание и удаление жидкой фазы цементационного раствора через фильтрующий материал дренажных скважин, удаление жидкой фазы цементационного раствора производят одновременно и совместно с удалением газовой среды из цементируемых трещин при плавном увеличении величины разрежения в дренажных скважинах, при этом величину разрежения поддерживают на уровне, не менее величины потери давления нагнетания цементационного раствора по длине заполняемой трещины, а процесс отфильтровывания продолжают после прекращения нагнетания цементационного раствора до окончания выхода жидкой фазы из системы трещин.
Способ осуществляют следующим образом.
Структурированный массив горных пород пересечен трещинами разрыва и расслоения. Вслед за подвиганием забоя на поверхность горной выработки по известной технологии наносят изолирующее несущее покрытие, например набрызг-бетон или набрызг-полимерное крепление Тефлекс (продукт фирмы Минова КарбоТех Гмбх, Германия) толщиной 4-6 мм. Далее производят бурение нагнетательных и вокруг них дренажных скважин, которые вскрывают трещины разрыва и расслоения, образуя единую систему сообщающихся каналов и полостей. Каждую дренажную скважину заполняют фильтрующим материалом, например рулонным нетканым из синтетического волокна или песком фракцией до 2 мм по известной технологии (патент на изобретение РФ №2166634, МПК Е21D 20/00, опубл. 10.05.2001, бюл. №13). После отверждения изолирующего несущего покрытия известными способами производят поскважинное нагнетание цементационного раствора в породы через инъекторы, герметично вставленные в нагнетательные скважины. Под давлением нагнетания цементационный раствор распространяется по трещинам и при достижении дренажных скважин, его излишняя для процесса гидратации жидкая фаза отфильтровывается через фильтрующий материал и удаляется внутрь выработки. Удаление жидкой фазы цементационного раствора производят одновременно и совместно с удалением газовой среды из цементируемых трещин при создании разрежения в дренажных скважинах, например вакуум-насосом. Вакуум-магистраль от дренажных скважин перед вакуум-насосом снабжена сборником для жидкой фазы (фильтрата). При этом одновременно с подачей цементационного раствора производят плавное увеличение величины разрежения, которая в процессе упрочнения поддерживается на уровне, не менее величины потери давления нагнетания цементационного раствора по длине заполняемой трещины. Процесс отфильтровывания продолжают после прекращения нагнетания цементационного раствора до окончания выхода жидкой фазы из системы трещин.
После выполнения всех предшествующих технологических операций и отверждения изолирующего несущего покрытия известными способами через инъектор производят поскважинное нагнетание цементного раствора в породы. Под действием давления нагнетания цементный раствор через нагнетательные скважины проникает во вскрытые трещины и полости приконтурного массива горных пород. Далее, как известно (Хямяляйнен В.А., Бурков Ю.В., Сыркин П.С. «Формирование цементационных завес вокруг капитальных горных выработок» - М.: Недра, 1994. - 400 с.: ил.), в какой-то момент времени наступает прекращение растворопоглощения упрочняемых трещиноватых горных пород. Последующая выдержка под максимальным давлением нагнетания до начала процесса схватывания цементационного раствора приводит к частичному отфильтровыванию излишней жидкой фазы через фильтрующий материал дренажной скважины при преодолении гидравлического сопротивления.
По мере удаления потока цементационного раствора от места инъецирования происходит приращение суммарного сопротивления движению по длине заполняемых трещин, скорость неизменно падает, снижается качество цементации трещин. Удаление газовой среды из цементируемых трещин через фильтрующий материал дренажной скважины за счет плавного увеличения величины разрежения в дренажных скважинах снижает возможность образования газовых пробок (тромбов) и обеспечивает более стабильное качество цементации по длине трещин. При этом плавное повышение величины разрежения в дренажных скважинах способствует более эффективному сбросу фильтрата (Жужиков В.А. Фильтрование. Теория и практика разделения суспензий, М., Химия, 1980, 398 с., 4-е изд., перераб. и доп.) и исключает «клапанный» эффект при деформации нагружаемых давлением нагнетания и разрежением частиц цемента. Пористая среда фильтрующего материала позволяет реализовать возможность одновременного и совместного сброса жидкой фазы и газовой среды в дренажной скважине за счет образования параллельных каналов миграции двух сред в одном направлении.
Разрежение в дренажных скважинах поддерживается на уровне, не менее величины потери давления нагнетания цементационного раствора по длине заполняемой трещины, что также позволяет еще более стабилизировать качество цементации в зоне упрочнения и тем самым повысить прочностные и адгезионные характеристики получаемого цементного камня во всем объеме упрочняемых горных пород вокруг выработки.
Например, эффективность способа упрочнения горных пород с применением эффекта вакуумирования при нагнетании химических составов, заявленная в аналоге, доказана при проведении шахтных испытаний в Донбассе (Н.Н.Касьян, О.Г.Худолей, В.И.Лысенко. Шахтные испытания нового способа упрочнения горного массива Уголь Украины. Февраль 1995).
После прекращения подачи цементационного раствора в нагнетательные скважины процесс отфильтровывания продолжают до окончания выхода жидкой фазы из системы трещин. Известно, что остаточного водоцементного отношения достаточно для полноценного процесса гидратации цемента в объеме трещин.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет повысить эффективность упрочнения трещиноватых горных пород вокруг выработок.