Спосіб ізолювання закарстованих водонасичених гірничих порід та ліквідування підземних порожнин

СОЮЗ СОВЕТСКИХ СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСЛУБЛИН (19) 4(51) Е 21 В ЗЗ/ПЗї Е 21 О і 1/00 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬГГИЙ (20 3591525/22-03 (22) t7.O5.83 (46) 30.05.85. Бюп. № 20 (72) Э. Я. Кипко, Б. А. Лагунов, В. Н. Лнтовченко, О. Ю. Лушникова и Ю. А. Полозов (71) Специализированное производственное геологическое объединение по тампонажним и геологоразведочным работам (53) 622.281.9(088.8) 56 Маньковский Г. И. Специальные способы сооружения стволов шахт. М., „Наука'і 1965, с. 168. Трулак Н. Г. Справочник по со- ' оружению шахтных стволов специальными способами. М,, "Недра, 1980, с. 188. (541(57>1. СПОСОБ ИЗОЛЯЦИИ ЗАКАРСТОВАННЬК ОБВОДНЕННЫХ ГОРНЫХ ПОРОД И ЛИКВИДАЦИИ ПОДЗЕМНЫХ ПОЛОСТЕЙ, включающий бурение скважин и нагнетание по трубам через них тампонажного раствора в горный массив, о т л и ч а ю щ и й с я тем, ЧТО) с Целью повышения качества и эффективности изоляции, доставку раствора в тампонежную зону осуществляют в упрочненном состоянии путем обеспечения течения раствора по трубопроводу в структурном режиме со скоростью V - 0,10-0,35 м/с. *4 V 2, Способ по п. 1, О Т Л И Ч И " ю щи Й с я тем, что максимально допустимый диаметр трубопровода задают из соотношения макс Р -г Р г к где Г о - динамическое напряжение сдвига тампонажного раствора; Н - длина вертикального трубопровода в скважине; Рг - гидростатический напор столба тампонажного раствора в вертикальной части трубопровода в скважине; Pfc - напор подземных вод тампонируемой зоны, а оптимальную подачу тампонажного pa' створа при этом определяют по ле t - время необходимое для по где t лучения заданной величины пластической прочности тампонажного раствора; - длина нагнетательного тру Q - подача тампонажного раствора. 1 1158743 Изобретение относится к горному делу, а именно к шахтному строительству, и может быть использовано для подавления водопритоков и изоляции крупных карстовых полостей в водонос- 5 ных горизонтах вокруг стволов шахт, при ликвидации старых горных выработок и других подземных пустот. Целью изобретения является повышение качества и эффективности изоля- 10 ции обводненных карстовых и других подземных полостей. На фиг. I приведена схема постановки двух пакерующих устройств для последовательной реализации техноло- 15 гии тампонажа крупных полостей ( режим закладки) и изоляции тонких трещин не структурированным раствором; на фиг. 2 - эпюра скоростей течения тампонажного раствора в нагнетатель- 20 ном трубопроводе; на фиг. 3 - графическое изображение изменения пластической прочности тампонажного раствора по времени. Устройство для реализации предла- 25 гаемого способа содержит нагнетательный трубопровод \ для подачи раствора в режиме тампонирования тонких трещин; нагнетательный трубопровод 2 для подачи структурированного тампо- зо нажного раствора, пакерующее устройство 3, устанавливаемое в нагнетательном трубопроводе для тампонирования тонких трещин, пакерующее устройство 4 на трубах большого диа- ^ метра, устанавливаемое в скважине для тампонажа крупных полостей в режиме закладки; тампонируемый массив 5, карстовые полости 6, тампонажную скважину 7, ядро потока 8, ^0 градиентный сдвиговый слой. Способ осуществляют следующим образом . Пробуривается скважина 7, вскрывающая закарстованные обводненные $$ породы или подземные полости, В скважине проводятся гидродинамические и геофизические исследования, на основе которых определяют размеры под*земных полостей, скважность, напор 50 и прогнозные притоки воды. Определяют требуемые технологические параметры процесса тампонирования, исходя из условий обеспечения оптимальной скорости течения 55 раствора в трубах V * 0,1-0,35 м/с, а именно: время (t) течения раствора в трубопроводе для получения заданной пластической прочности по известной зависимости P m = f(t); максимальнодопустимый диаметр нагнетательного трубопровода 2 - d ^ * ; общую длину нагнетательного трубопровода 2L; оптимальную подачу раствора насосом Q. На трубах с постоянным внутренним диаметром, наиболее близким, но не превышающим максимально допустимый диаметр - dfTID)y, в кровле водоносного горизонта устанавливают пакерующее устройство 4. При глубине Н установки пакерующего устройства меньшей, чем требуемая длина нагнетательного трубопровода 2, оставшуюся часть трубопровода (L-H) раскладывают на поверхности земли. Путем подачи насосом тампонажного раствора в заданном режиме Q нагнетают расчетное количество тампонажного раствора до достижения заданного давления. После остановки нагнетания осуществляют выдержку для окончательной стабилизации тампонажного раствора в тампонируемых подэемньк полостях. Снимают пакерующее устройство 4 и осуществляют контроль качества тампонирования гидродинамическими и геофизическими исследованиями в скважине, Для создания структурного режима течения тампонажного раствора в трубах и увеличения его структурномеханических характеристик к моменту закладки обводненных карстовых полостей обеспечивают максимально возможное время прохождения раствора по трубам в скважине для получения большей его пластической прочности в начальной стадии закладки за счет увеличения диаметра нагнетательных труб и уменьшения мгновенного расхода нагнетания; определяют оптимальный диаметр нагнетательных труб, обеспечивающих при максимально возможном времени прохождения раствора по трубам сплошность его потока, т.е. неразрывность в результате эффекта зависания, сохранив при этом оптимальные режимы работы нагнетательного оборудования. Из условия обеспечения неразрывности потока в трубах следует, что на устье скважины не должно быть эффекта вакуумирования - образования от 1158743 рицательного давления и зависания тампонажного раствора. Для этого должно быть соблюдено усНапример, определим внутренний ловие диаметр нагнетательного трубопровода в скважине для установки пакера на (I) глубине 902 м, используя в качестве - Р характеристик раствора р = 1,29 т/м и То = 197 Па, тогда . - давление на удтье скважины; где Р^ - напор подземных вод; Ю Р- - гидростатическое давление столба тампонажного раствора в скважине; аРр - потери напора при течении тампонажногб раствора в тру-(5 бах; л Р 0 - перепад давления на преодоление гидравлических сопро• тивлений при течении тампо%6 нажного раствора в карсто- JQ вых каналах. Анализ процесса тампонирования показывает, что на начальном этапе ч закладки крупных карстовых пустот величина л Ро весьма незначительная, 25 не превышает 0,1 МПа [\ кгс/см г )и при •рассмотрении условий обеспечения не•разрывности потока раствора в трубах ею можно пренебречь. *~ Величины A P1V и Р г определяются 30 по соответствующим известным уравнениям 4-902-197 Па 0, 187 м (1 16-78)-10 Таким образом, в соответствии с выполненными расчетами нагнетательный трубопровод должен быть собран из труб с постоянным внутренним диаметром, близким, но не превышающим по размеру 187 мм. Для заданного диаметра нагнетательного трубопровода время прохождения тампонажного раствора в зоне закладки тампонируемого интервала, характеризующее величину упрочнения, тампонажного раствора по известной зависимости P m = f(t) t определяет оптимальную подачу раствора насосом, определяемую по формуле , »Д • к (3) д I \в-Ю Подставляя численные значения в уравнение (6), получим (2) й Ртр 1,29-902 U — і где Q - подача тампонажного раствора; L - общая длина нагнетательного где v u - динамическое напряжение сдви*4д трубопровода; га тампонажного раствора; t - время г необходимое для полуН - длина нагнетательных труб в чения заданной величины пласскважине; тической прочности. d - внутренний диаметр нагнетаОбщая требуемая длина нагнетательтельных труб; д5 ного трубопровода определяется по фор^ - плотность тампонажного раст> муле вора. Из уравнения ( П следует L - Vt .р 4 *?т 5й где V - оптимальная скорость тампо Для условий критического состояния,, при Ру = 0 и дР о ^.0 имеем нажного раствора в нагнетательном трубопроводе при требуемом структурном режиме. Как показали выполненные расчеты, - р - р (5) ТР 55 в рассматриваемых условиях оптимальной скоростью течения тампонажного Из решения системы (2) и (5) с раствора в нагнетательном трубопроучетом обеспечения условия ( 1 ) | т , е . воде, обеспечивающей структурный ре-і Ру > 0, получим Г 1158743 жим закладки, является скорость в диапазоне V = 0,1-0,35 м/с Повышение скорости выше верхнего предела - 0 ( 35 м/с приводит к сокращению времени прохождения раствора в трубопроводе^ в результате чего не обеспечивается достижение заданной величины упрочнения раствора. Снижение скорости течения тампонажного в трубопроводе ниже нижнего предела - 0,1 м/с приводит к экономически неоправданному снижению производительности тампонирования , Рассмотрим пример выбора технологических параметров нагнетания до предлагаемому способу. Расчетный диаметр нагнетательного трубопровода d = 0,187 м Требуемое время упрочнения тампонажного раствора при течении его в трубах до заданной величины плас тической прочности 94 мин. Оптимальная скорость течения раствора в трубах V • 0,15 м/с Требуемая длина нагнетательного трубопровода в заданных условиях L » 0,15 і 94 * 60 - 845 м Оптимальный режим подачи насоса равен 3,14-0,187 • 845 4,2* х 10" 5 м Э /с - 4,2 л/с Проведенные по данному способу работы по изоляции крупных карстовых полостей, повышают надежность и эффективность изоляции и позволяют освоить Добруджанское угольное месторождение под защитой тампонажных изоляционных завес. -" 1158743 1 2 1 d • фиг. 2 то •ч "^ so 1 so 1 1 / < n 110 30 ВО 120 2hO Время стаиигшзации,мин (Pas, З ВНИИПИ Заказ 3546/35 Тираж 540 Подписное Филиал П П " П а т е н т " , г.Ужгород, ул.Проектная, 4 П